聚合物薄膜电容器在新能源汽车逆变器、电网调频、光伏/风力发电机并网、先进电子设备等方面获得了广泛的应用。其中，双向拉伸聚丙烯（BOPP）电介质薄膜，由于具有高充放电效率和成熟的制造技术，成为最先进的用于商用聚合物薄膜电容器的电介质材料，占据了~50%的聚合物电容器市场份额。然而，由于电容能量密度低，BOPP电容器通常占据器件体积和重量的30%以上，而且由于仅能承受较低的工作温度＜105℃，很多场景下（以新能源混合动力汽车为例，其薄膜电容器的工作环境温度可达125-150℃）需要额外布置冷却系统，不可避免地限制了现代电子电气系统的小型化发展。

近日，本实验室与安徽铜峰电子公司研究团队发展了利用γ辐照优化不同聚合物电介质材料介电常数、击穿强度、工作温度的策略。利用高能、强穿透性的γ射线辐照对BOPP分子链结构进行修饰，引入了强极性的羟基和羰基基团，不仅提高了介电常数，更为重要的是引入了深陷阱能级，可降低高场、高温下漏电流和电-热击穿概率。另外，γ辐照还能引入交联结构，从而提高杨氏模量，降低电-机械击穿的概率。因此，该方案提高BOPP的击穿强度40%至968 MV/m，击穿强度下的储能密度达到10.4 J/cm³，比原始BOPP提高了108%，且储能效率高达97.3%，优于目前的商用聚合物电容膜、已报道的全有机聚合物和PP基复合材料。而且在600 MV/m高电场条件下经历20000次循环充放电测试，储能密度依然稳定维持在4.06 J/cm³，效率为98%。特别是，γ辐照还优化了BOPP的工作温度。在125℃下，γ辐照的BOPP在击穿场强770 MV/m条件下的储能密度达到5.88 J/cm³，效率为90%，储能密度相对于原始BOPP提高了97%（2.98 J/cm³，对应的击穿场强为576 MV/m，效率仅为76%）。击穿强度、工作温度的优化也有利于提升聚合物电容器耐受纹波电压和电流的能力，利于其安全使用。

通过电导、热激励去极化电流等实验测试结合密度泛函理论分析，发现介电常数、击穿场强、工作温度等储能性能的优化与γ辐照聚合物后薄膜内部极性基团的形成有关，极性羰基引入了深能级陷阱从而有效地抑制了高电场、高温下的电荷传输。进一步地，在环烯烃共聚物（COC）中验证了γ射线辐照策略的可推广性。结果表明，即使在150℃高温下，γ辐照的COC能量密度也被显著提高到4.0 J/cm³，且效率大于90%。这项工作为研发优异介电储能性能的聚合物电介质提供了一种简单而普遍适用的策略。

研究人员利用溶液流延的方法制备出高质量的COC介电薄膜。在此基础上，对COC薄膜的两面均进行紫外辐照处理。与原始薄膜相比，经过适量紫外辐照后的全有机COC薄膜表现出更高的介电常数和更高的击穿强度。特别是，在高温 150℃、高储能效率 95% 时，辐照后的COC薄膜具有优异的放电能量密度 ~3.34 J/cm³，超过了目前所有已报道的介电聚合物和聚合物基纳米复合材料。在满足混合电动汽车中的实际工作条件 (150 ℃、200 MV/m) 下，辐照后的COC薄膜在经历了高达 20000 次的循环充放电测试后，储能性能依然保持稳定。此外，辐照之后，COC 薄膜的杨氏模量也有明显的提高，同时漏电流密度仍然维持在较低水平，这些分别有利于避免电-机械击穿和电热击穿的发生。另外，为了验证该策略的普适性，研究人员还在不同品级的 COC 薄膜中同样实现了高温储能性能的大幅提升。

图1. 结构、介电和击穿特性。a) 原始和γ射线辐照BOPP薄膜的X射线衍射图谱，b) 衰减全反射傅立叶变换红外光谱，c) 室温下介电常数和损耗因子的频谱，d) 1 kHz下介电常数和损耗因子的温度依赖关系，e) 击穿场强的韦伯分布。f) 不同γ射线辐照剂量下BOPP薄膜的击穿场强和韦伯模量分布图。

图2. 介电储能性能。a) 原始和γ射线辐照BOPP薄膜的电位移与电场的关系曲线，b) 不同电场下的放电能量密度，c) 不同电场下的储能效率。d) 不同γ射线辐照剂量下的放电能量密度。e) 在850 MV/m电场下γ-150 kGy BOPP薄膜的充放电循环测试。f) 在850 MV/m下测试不同循环次数γ-150 kGy BOPP薄膜的电位移与电场的关系曲线。

图3. 循环稳定性和不同材料性能比较。a) 在600 MV/m下γ-150kGy BOPP薄膜的充放电循环测试。b) 在储能效率大于95%的条件下，本工作与商用聚合物电容膜、已报道的全有机聚合物以及PP基复合物的最大放电能量密度的比较。

图4. 验证深陷阱能级的实验结果。a) 原始和γ射线辐照BOPP薄膜在不同电场下的漏电流密度，b) 不同γ射线辐照剂量下的跳跃距离。c) 原始BOPP和γ-150 kGy BOPP薄膜的热激励去极化电流曲线。

图5. (a) 深能级陷阱的理论分析。a, b) 原始PP和含羰基PP分子链的静电势分布。c) 原始PP和含羰基PP的态密度。d) 原始PP和含羰基PP的能级结构。

图6. γ射线辐照COC电介质的储能性能。a) 室温下介电常数和损耗因子的频谱。b) 150℃下击穿场强的韦伯分布。c) 原始COC和γ-150kGy COC薄膜在150℃下的放电能量密度和储能效率。d) 原始COC和含羰基COC的能级结构。

相关成果以“γ-Ray Irradiation Significantly Enhances Capacitive Energy Storage Performance of Polymer Dielectric Films”为题在线发表在《先进材料》(Adv. Mater.)上。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等的资助。相关成果被 中国聚合物网等媒体报道。