仿生连续梯度纳米复合材料用于150-200 °C超高温介电储能
王健，代炜昊，张倩，彭碧贇，张逸飞，梁森，马薇，吴芳芳，周迪
宁夏大学，材料与新能源学院，宁夏光伏材料重点实验室
湖北科技学院，核技术与化学生物学院，湖北省辐射化学与功能材料重点实验室
加拿大阿尔伯塔大学，化学系
西安交通大学，电子科学与工程学院，多功能材料与结构教育部重点实验室
【文献链接】
J. Wang, W. Dai, Q. Zhang, et al., “Bio-Inspired Continuous Gradient Nanocomposites for Ultrahigh-Temperature Dielectric Energy Storage at 150°C–200°C,” Rare Metals (2026): e70352, https://doi.org/10.1002/rar2.70352.
【背景介绍】
介电聚合物在150 °C以上通常会遭遇严重的性能退化，从而限制了其在先进电力系统中的应用。本文受贝壳和毛竹梯度结构协同启发，创新性地采用连续静电纺丝技术，在聚醚酰亚胺（PEI）中构筑了氟化氮化硼纳米片（BNNS-F）的仿生连续梯度与取向网络。这种仿生梯度结构不仅增强了材料的力学与热稳定性，还自发形成了空间分级的深能级电荷陷阱。由此产生的渐进式陷阱能垒显著抑制电荷传输，阻碍了电树枝生长，并显著降低了高温下的传导损耗。因此，所制备的连续梯度PB-F cg纳米复合材料在150 °C下实现了高达626 MV·m-1的击穿强度（Eb）和6.21 J·cm-3的放电能量密度（Ud），且充放电效率达90%。更显著的是，在200 °C极端温度下仍保有3.89 J·cm-3的高能量密度，且在10,000次充放电循环后性能几乎无衰减。本研究建立了一种通过连续梯度结构协同调控热-力-电耦合场的通用范式，为发展极端工况下服役的高性能电介质提供了普适性策。
【文章亮点】
1.设计结构：受贝壳和毛竹启发，在薄膜中成功构筑了BNNS-F兼具连续垂直浓度梯度与面内取向排列的仿生各向异性结构。
2.阐明机理：上述仿生连续梯度结构能自发形成空间渐变的深能级电荷陷阱分布，有效抑制电荷传输、阻碍电树枝生长，从而大幅降低高温下的电导损耗。
3. 性能提升：可程序化静电纺丝技术与通用化设计为极端环境介电聚合物性能提升提供了基础。
【内容简介】
日前，宁夏大学材料与新能源学院王健副教授、马薇教授，西安交通大学电子科学与工程学院周迪教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Bio-inspired Continuous Gradient Nanocomposites for Ultrahigh-Temperature Dielectric Energy Storage at 150-200 °C”的研究文章，基于生物仿生连续梯度结构设计各项异性纳米复合材料薄膜并解释了这种结构显著增强高温介电性能机理。
【图文解析】
图1. (A)高强度贝壳层的多层梯度结构；（B）毛竹横截面呈现的连续密度梯度，展现出卓越的韧性和强度；（C）多层梯度结构与连续梯度结构对比；（D）连续梯度纳米复合材料制备工艺；（E）聚合物薄膜中的能级分布与载流子陷阱；（F）电介质中能级分布；（G）聚合物纳米复合介质中的电荷注入与传输过程。
首先以贝壳和毛竹的天然梯度结构为灵感，阐述了本文仿生设计的核心理念：通过避免性能的突变，实现应力或载荷的平顺传递与高效耗散。基于此，研究提出了一种创新的材料构筑策略：采用连续双轴静电纺丝结合一步热压固化技术，在聚醚酰亚胺（PEI）基体中成功制备了氟化氮化硼纳米片（BNNS-F）具有面内取向且沿厚度方向呈连续垂直浓度梯度的纳米复合材料（PB-F cg）。该独特的梯度结构不仅增强了材料的力学与热稳定性，更关键的是，它对应地生成了一个空间上渐变的深能级电荷陷阱分布。这种渐变的陷阱能垒能有效抑制电荷载流子的迁移、阻碍电树枝的扩展，从而显著降低了材料在高电场和高温下的传导损耗，最终实现了电学、热学和力学性能的协同提升。
图2. (A)介电常数/损耗；(B) 基于PEI的聚合物薄膜的电导率随温度/频率变化；(C)基于电导率-温度数据；（D）（E）薄膜在150 °C和200 °C条件下Eb的威布尔分布；（F）不同温度下聚合物薄膜的Eb比较；（G）动态机械分析（DMA）；（H）应力-应变测试；（I）薄膜模量比较。
系统研究了不同纳米复合结构在高温下的介电、电学与力学性能。图2A展示了纯PEI及其四种纳米复合材料（均匀分散P/B-F、三明治结构PB-F sw、多层梯度PB-F mg、连续梯度PB-F cg）的介电性能随温度的变化。结果表明，BNNS-F的引入能略微提高相对介电常数，并凭借其抑制电荷注入与捕获载流子的能力，显著降低所有薄膜的介电损耗（tanδ）。其中，具有BNNS-F面内取向和垂直连续梯度结构的PB-F cg薄膜，在整个宽温域内表现出最低的介电损耗（<0.003）。进一步分析不同薄膜的温度依赖性电导率,结合阿伦尼乌斯模型计算出的活化能表明，PB-F cg薄膜具有最高的活化能，这归因于其各向异性的BNNS-F分布最优地抑制了电荷传输，同时BNNS周围形成的密集电荷陷阱层有效捕获了高能电子，从而大幅降低了传导损耗。薄膜在150°C和200°C下的Eb分布表明通过优化BNNS-F的梯度结构，PB-F cg薄膜在150°C下实现了626 MV·m⁻¹的卓越Eb，在200°C下仍保持527 MV·m⁻¹，均显著优于均匀分散和其他梯度结构的薄膜。DMA和应力-应变测试证实，BNNS-F的引入，特别是其连续梯度分布，有效约束了聚合物链段的运动，显著提升了薄膜在高低温下的储能模量、强度和韧性，从而协同增强了其电耐久性。
图3. (A)PEI与PB-F共结晶薄膜在150 °C和200 °C下不同电场下的电场依赖性导电电流J；(B) 150/200°C温度下的电子跳跃距离对比；(C)薄膜的TSDC曲线；（D）PB-F共聚薄膜中载流子传输的深能阱抑制示意图；（E）薄膜的相场模拟分析；（F）纳米片能级分析；（G）PB-F共聚纳米复合材料的能级结构；（H）PB-F共聚纳米复合薄膜中的连续梯度结构及各向异性力-电增强机制。
深入探讨PB-F cg纳米复合材料在高温下性能提升的电荷动力学机制。在150-200°C下，各类薄膜的泄漏电流密度（J）随电场（E）的变化表明，PB-F cg薄膜在所有条件下的漏电流均被显著抑制，这归因于其特殊的梯度陷阱结构。基于电子跳跃模型分析，PB-F cg薄膜中的电荷跳跃距离（d）在150°C和200°C下均为最小，这意味着其载流子被更有效地束缚，减少了空间电荷积累和场强畸变。通过TSDC对陷阱能级的表征进一步证实，PB-F cg薄膜中存在更深的陷阱能级，能更有效地限制电荷载流子迁移。此外，利用相场模型对电击穿过程的模拟直观表明，连续梯度分布的BNNS-F可作为有效屏障，阻碍树状放电通道的扩展。能级计算分析则从理论上揭示，氟化使BNNS-F具有更宽的带隙（6.50 eV），从而能在PEI基体中引入更深的电荷陷阱。综上所述，本文通过多种表征与模拟相结合，系统地阐明了连续梯度结构通过构筑渐变的深陷阱能垒、抑制电荷输运，从而赋予材料优异高温介电性能的内在机理。
图4. (A,B,C,D)不同薄膜在150 °C和200 °C下的D-E曲线以及Ue和η值对比；（E,F）本文工作与其他文献在150 °C和200 °C下储能性能（η值>90%）的比较；（G,H）PB-F聚合物薄膜在不同区域表现出一致的充放电性能以及高温充放电循环稳定性；（I）PB-F聚合物薄膜在150℃和200℃下的电性能雷达图。
系统评估并对比了纯PEI及其不同纳米复合材料在高温下的储能性能。图4展示了材料在150°C和200°C下的电滞回线（D-E loops），表明引入宽带隙BNNS-F纳米片能够提升高温储能性能。其中，具有连续梯度结构的PB-F cg纳米复合材料表现最为突出，它在150°C和630 MV·m-1条件下实现了7.01 J·cm-3的放电能量密度（Ud），同时效率（η）保持在85%以上；在200°C和525 MV·m-1条件下，仍能保持4.25 J·cm-3的Ud和81.6%的效率。图4C、D进一步呈现了Ud和η随外加电场的变化，凸显了连续梯度结构在提升储能性能方面的优势。特别地，在实际应用更关注的高效率（η > 90%）条件下，PB-F cg在150°C和200°C下分别实现了6.21 J·cm-3和3.89 J·cm-3的Ud，其性能优于多数已报道的聚合物及有机/无机纳米复合薄膜。此外，PB-F cg薄膜不同区域的D-E回线高度一致，证明了其优异的均匀性和电耐久性，其在150°C和200°C下经过10,000次充放电循环后，性能衰减低于1.0%，展现了出色的高温循环稳定性。这些结果综合表明，PB-F cg纳米复合材料具有卓越的高温储能特性与应用潜力。
【全文小结】
1.设计并制备了一种受贝壳和毛竹启发的、具有连续垂直梯度与面内取向排列的仿生纳米复合介电薄膜；
2.仿生连续梯度结构形成了空间渐变的深能级电荷陷阱分布，有效抑制传导损耗；
3.薄膜材料在高温下实现良好绝缘性与介电储能性能；
4.连续梯度结构协同调控电-热-力场，提供了一种通用增强策略。
【作者简介】
宁夏大学材料与新能源学院副教授，硕士生导师，于2012-2016年、2016-2021年分别在西安交通大学获得应用化学学士、材料科学与工程博士学位。主持国家自然科学基金、宁夏自然科学基金、重点研发计划、“中国科协”博士站项目等6项，入选自治区青年科技托举人才计划。主要研究领域为储能电介质材料与薄膜器件；材料介电、压电、铁电及热电性能研究；仿真模拟计算研究。担任Rare Metals、Carbon Neutrality、Journal of Advanced Dielectrics等期刊青年编委，在Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Chinese Chem. Lett., Adv. Sci.等期刊上共发表高水平论文40余篇，授权发明专利5项。
宁夏大学材料与新能源学院教授，博士研究生导师，于2010年在复旦大学获得物理学学士、2016年在中国科学院物理研究生获得凝聚态物理博士学位。主要聚焦纳米体系表界面量子作用机制与激发态动力学调控核心问题，以理论模拟为核心，构建“计算方法-理论框架-技术应用-AI赋能”多维度体系。创立TDAP全量子化模拟方法，建立表界面调控-性能关联理论框架，研发IDSG图深度学习模型，为纳米器件优化、新能源产业发展提供关键理论与技术支撑。任国际期刊Rare Metals、Carbon Neutralization、Microstructures青年编委，《宁夏大学学报（自然科学版中英文）》青年编委；主持国家级项目2项，省级项目3项，厅局级项目2项；入选宁夏青年拔尖人才、青年科技人才托举工程、中组部“西部之光”青年学者；获得中国发明协会创新奖创业奖二等奖一项、第十六届宁夏自然科学优秀论文一等奖。在Advanced Materials，Science Advances等国际权威期刊上发表SCI论文50余篇，其中第一作者及通讯作者论文30余篇，论文共被引用2000余次。
周迪，教授、博士生导师、西安交通大学电子科学与工程学院副院长、电子材料党支部书记、多功能材料与结构教育部重点实验室副主任。2004年本科毕业于西安交大，获得“电子科学与技术”、“数学与应用数学”双学士学位；2009年12月获得西安交大“电子科学与技术专业”博士学位（导师：姚熹）。主持国家自然科学基金、重点研发计划、华为公司横向课题、深圳市麦捷微电子横向课题等，在微波介质材料结构性能调节分析、LTCC低温共烧陶瓷技术应用、储能电介质、吸波材料与器件、谐振器滤波器及天线基板应用等方面取得一系列新颖的研究成果。在国际知名期刊发表科技论文300余篇，总引用次数20000余次（Google Scholar H-index=80）。
