基于蒙脱石的聚醚酰亚胺涂层

能源转型的加速发展不断提高人们对高性能电子元件的需求，需要开发新的、 低成本和环保的能量转换和存储系统，如电池、燃料电池、电化学电容器和介电电容器。介电电容器因其有固有的高功率密度、快速充放电速率和理想的循环特性，在微电子集成电路、超高压电力传输系统、电动汽车和电磁武器等领域具有广泛的应用前景。然而，由于传统介电材料能量密度低，制做电容器时体积和重量过大，不能满足紧凑高效电力系统的需求^[1]。常用BOPP不耐高温，在105℃以上失效；而PEI虽玻璃化转变温度高，耐高温，有应用前景；但由于其苯环的π-π共轭结构，在高温下电导损耗急剧增加，效率和储能密度降低。而电导损耗来源于点击电荷的注入和介质内部产生的热电子。在电极与介质之间引入涂层，涂层结构可以抑制电极处的电荷注入，减少电荷迁移，维持聚合物基体原有的击穿强度和力学性能^[2]。

图引自“Chao Y ,Yao Z ,Yujie Z , et al.Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage.[J].Nature communications,2020,11(1):3919.”

为此，我们将目光投向了一种巧妙的设计：基于蒙脱石的聚醚酰亚胺（PEI）复合涂层。

聚醚酰亚胺（PEI）：这是一种工程塑料，本身就有优异的耐高温性、机械强度和绝缘性，是理想的基础材料。但它在高电场下的储能效率会随温度升高而降低。

蒙脱石（MMT）：蒙脱石纳米片(MMT)是矿物材料，成本要求低，其具有层状结构、宽带隙、高介电常数和优异的离子交换能力，是理想的涂层材料。

我们通过涂层技术，将MMT和PVA混合分散液均匀涂覆在在PEI薄膜两面，最终制备成三明治结构的复合薄膜^[3]。

图引自“Qian W ,Chao W ,Marie A L , et al.Interfacial polarization suppression of P(VDF-HFP) film through 2D montmorillonite nanosheets coating[J].Progress in Organic Coatings,2022,172.”

PEI分子链与蒙脱石纳米片之间会产生巨大的界面区域，这些界面能俘获和束缚电荷，在高温高电场下成为强大的“电荷陷阱”，显著抑制漏电流，提升充放电效率。

这种复合涂层综合了有机物的柔韧性和无机物的稳定性，实现了“1+1 > 2”的效果。实验表明，相较于纯PEI涂层，蒙脱石/PEI复合涂层在150°C的高温下，依然能保持极高的储能密度和充放电效率。

这项技术为开发下一代高温、高功率、长寿命的薄膜储能电容器指明了方向。未来，由这种先进涂层打造的电容器将更能适应极端恶劣环境，为我们的电动汽车、新能源电网和深空探测装备提供更强大、更可靠的“动力心脏”。

参考文献：

[1] 陈健雄.基于表面工程技术的高储能密度聚合物介电材料的性能及机理研究[D].宁夏大学,2023.DOI:10.27257/d.cnki.gnxhc.2023.001735.

[2] Chao Y ,Yao Z ,Yujie Z , et al.Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage.[J].Nature communications,2020,11(1):3919

[3] Qian W ,Chao W ,Marie A L , et al.Interfacial polarization suppression of P(VDF-HFP) film through 2D montmorillonite nanosheets coating[J].Progress in Organic Coatings,2022,172