【特刊说明】

能源在社会的高速发展中扮演着不可或缺的角色，介电电容器具有快速充放电性能，常常被用于电子、武器装备等领域。本次设立特刊旨在展示介电电容器相关研究的新理念、新发展和新方向，设计实现电介质材料在不同环境下的储能密度、储能效率提升的新方法。主要包含以下几个方面：

1． 用于高性能介质电容器的储能电介质构效关系研究。包括但不限于如聚合物、铁电/反铁电体、弛豫铁电体和纳米复合电介质。

2． 极端条件下电介质储能特性优化研究。解决极端条件下介质电容器在能量储存及转换中应用的技术挑战，如高温、高压等。

3． 基于学科交叉的新技术、新方法、新材料在介质电容器中的应用。例如高通量计算、模拟仿真、机器学习、同步辐射技术等在介质电容器中的新应用。

【特刊介绍】

本特刊包括18篇研究文章，2篇综述。研究文章有来清华大学党智敏团队、澳大利亚卧龙岗大学的Shujun Zhang团队、南方科技大学汪宏教授团队、清华大学李琦团队、四川大学邓华团队、广东以色列理工学院谭启团队、陕西科技大学杨海波团队、美国康涅狄格大学斯托斯分校Yifei Wang博士等，综述文章来自北科大查俊伟 团队、武汉理工大学张鹏超团队。欢迎各位读者阅读和引用。

1、同时在Bi_0.5K_0.5TiO₃基陶瓷中实现较高的储能性能和显著的热稳定性          
Simultaneously achieving high energy storage performance and remarkable thermal stability in Bi_0.5K_0.5TiO₃-based ceramics

L. Zheng, Z. Niu, P. Zheng, K. Zhang, C. Luo, J. Zhang, N. Wang, W. Bai, Y. Zhang*

文章亮点：

（1）在铁电体中通过诱导PNRs可以获得降低的Pr。通过将Ca²⁺掺杂到BKT-BF晶格的a位，a位离子的价差可能导致晶格失配，增强了局部结构的不均匀性。

（2）一般情况下，晶界密度高对载流子起到了阻挡作用。

（3）CaTiO₃具有较宽的禁带隙和较低的介电损耗(Eg ~ 3.4 eV, tan δ ~ 10⁻⁵)，因此具有极高的固有介电击穿强度，可达4.2 MV/cm。在BKT-BF中引入CaTiO₃可以改善其Eg，提高其绝缘性能，从而提高E_b值。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101078

2、多层氮化硼/聚酰亚胺高温电容器介电膜

Multi-layered boron nitride/polyimide high-temperature capacitor dielectric film

K. Zhang, Z. Ma, Q. Fu, H. Deng*

文章亮点：

（1）采用直接溶铸法制备了最多4层的BNNS交替多层PI复合薄膜。

（2）该方法可以通过工业成熟的溶液铸造和喷涂实现规模化生产。

（3）BNNS层能有效抑制载流子传输。随着BNNS层数的增加，PI复合薄膜的储能性能不断提高。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101093

3、缺陷尖晶石结构纳米填料改善聚合物介质高温储能性能

Improvement of high-temperature energy storage performance in polymer dielectrics by nanofillers with defect spinel structure

J. Fu, M. Yang, R. Wang, S. Cheng, X. Huang, S. Wang, J. Li, M. Li, J. He, Q. Li*

文章亮点：

（1）与α-Al₂O₃相比，纳米级γ- Al₂O₃不仅可以在结合层中引入丰富的界面电荷陷阱。

（2）由于纳米粒子特殊缺陷结构所固有的特殊缺陷结构，可以形成更深的电荷陷阱，能够在更大能垒高度的基体中抑制更多的自由电荷。

（3）纳米级γ-Al₂O₃的加入可以进一步降低复合体系中的泄漏电流，提高高温下的储能性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101101

4、采用梯度结构的全聚合物多层对铁电介电膜，可实现同时高放电效率和能量密度

All-polymeric multilayer para/ferroelectric dielectric films utilizing a gradient structure toward concurrent high discharge efficiency and energy density

X. Li, Z. Shi*, M. Han, Q. Tang, P. Xie, R. Fan

文章亮点：

（1）在两层PMMA和P(VDF-HFP)外层之间放置了两层梯度PMMA/P(VDF-HFP)混合层。

（2）无无机填料的全有机结构避免了有机/无机界面产生的缺陷，降低了导电损失，进一步提高了η。

（3）获得了7.34 J/cm³的高Ud和89.5%的η。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101119

5、高温薄膜电容器用全有机三明治结构薄膜的介电和储能性能

Dielectric and energy storage properties of all-organic sandwich-structured films used for high-temperature film capacitors

Q.-K. Feng, Y.-X. Zhang, D.-F. Liu, Y.-H. Song, L. Huang, Z.-M. Dang*

文章亮点：

（1）制备了以PET为双边层，P(VDF-HFP)为内层的全有机夹心薄膜。

（2）研究和分析了夹心结构PET/P(VDF-HFP)/PET薄膜在不同温度条件下的热性能、介电性能和储能性能。

（3）PET/P(VDF-HFP)/PET薄膜具有更好的介电常数和最佳的击穿性能，在MFC中具有很大的应用潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101132

6、自交联聚醚酰亚胺交联结构优化高温电容储能性能

Optimizing high-temperature capacitive energy storage performance by constructing crosslinked structure in self-crosslinkable polyetherimides

L. Zhu, Z. Zheng, W. Xu, Y. Tang, H. Yao, Y. Zhang*, Z. Jiang

文章亮点：

（1）通过调节加热时间和加热温度，制备了不同交联度的聚合物介质。

（2）随着加热时间和加热温度的增加，聚合物线性链的Mw和交联度同时增加，直到Mw达到最大值的临界点，这有利于提高聚合物介质的击穿强度。

（3）可溶部分的凝胶含量和平均分子量(Mw)研究表明，交联中存在交联网络和线性链延伸(聚合物链首尾相连)并存的现象。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101145

7、可规模化的原位表面涂层的具有显著增强的高温击穿强度聚合物介质

Scalable in-situ surface-coated polymer dielectrics with significantly enhanced high-temperature breakdown strength

Dong, R. Hu, Y. Niu, L. Li, S. Li, L. Sun, Y. Liu, X. Deng, L. Li, X. Xu, Z. Pan, H. Wang*

文章亮点：

（1）采用原位方法制备了表面嵌有氧化锶(SrO)纳米颗粒的PI复合薄膜。

（2）SrO层可以作为保护层来改善聚合物的电学性能，目前还没有报道。

（3）SrO纳米层降低了PI薄膜表面分子构象的熵，提高了PI薄膜局域态的能级。在较宽的温度范围内(30-250°C)， SrO层显著提高了PI薄膜的击穿强度、介电稳定性和储能性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101158

8、利用BaTiO₃@TiO₂纳米颗粒改善聚丙烯基介电纳米复合材料的放电能量密度和效率

Improved discharge energy density and efficiency of polypropylene-based dielectric nanocomposites utilizing BaTiO₃@TiO₂ nanoparticles

H. Xie, H. Luo*, Z. Pei, S. Chen, D. Zhang

文章亮点：

（1）BT@TO NPs可以缓解局部电场浓度，提高复合材料的界面极化。

（2）BT@TO NPs可以作为电子陷阱，有效抑制载流子的运动，从而阻止电树的传播，提高击穿强度。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101160

9、纳米填料的带隙和介电常数对PEI基纳米复合材料储能性能的影响

Improved discharge energy density and efficiency of polypropylene-based dielectric nanocomposites utilizing BaTiO₃@TiO₂ nanoparticles

H. Xie, H. Luo*, Z. Pei, S. Chen, D. Zhang

文章亮点：

（1）通过可行的溶液浇铸方法将具有系统变化的δ_E和K的无机氧化物纳米填料引入聚醚酰亚胺(PEI)纳米复合材料中，以研究纳米填料的δ_E和K对PEI储能性能的作用。

（2）纳米填料的δ_E和K的系统调节将揭示决定和改善聚合物复合材料电容性能的关键因素，并为高能量密度聚合物纳米复合材料的发展提供实际指导。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101161

10、原位合成实现介电聚合物纳米复合材料的超高放电能量密度

Achieving ultra-high discharge energy density of dielectric polymer nanocomposites by in situ synthesis

H. Yang, J. Zhou, H. Xu, B. Gou, R. Wang, C. Xie*

文章亮点：

（1）正硅酸乙酯(TEOS)原位合成二氧化硅获得。

（2）在聚合物成膜过程中原位合成的纳米粒子均匀分散在聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))基体中。

（3）非晶纳米颗粒比结晶纳米颗粒更有利于阻止载流子传输，这对于在电介质中实现高储能密度非常重要。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101165

11、高温聚醚酰亚胺薄膜电容器制造实例研究          
A case study of high-temperature polyetherimide film capacitor fabrication

D.Q. Tan*, X. Wu

文章亮点：

本工作探索将高温聚合物电介质转化为放大的薄膜和电容器卷的可行性，旨在通过PEI薄膜电容器制造的案例研究分享观察和学习，为技术人员提供更多的技术信息和工程经验，以促进薄膜电容器的未来发展。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101167

12、巧妙设计的低热膨胀系数聚合物介电薄膜在宽的温度范围内表现出高而稳定的静电能量密度          
Elaborately designed polymer dielectric films with low coefficient of thermal expansion demonstrating high and stable electrostatic energy density over a wide temperature range

J. Yu, L. Wang, Z. Liang, P. Xu, Y. Min, Z. Liu, J. Huang, S. Luo, S. Yu*, R. Sun

文章亮点：

（1）相似的热导率不会导致相似的E_b的降低。

（2）聚合物介质的尺寸变形可能是引导高温下E_b降低的主要因素。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101177

13、低电场作用下Na_0.5Bi_0.5TiO₃无铅陶瓷储能性能的增强          
Enhanced energy storage performance of Na_0.5Bi_0.5TiO₃ lead–free ceramics under low electric field

M. Chen, S. Zhan, Q. Yuan, Y. Li, Y. Lin, H. Yang*

文章亮点：

（1）提出了在无铅介质中结合增强弛豫特性和主动抑制能量损失的方法。

（2）通过Zr⁴⁺取代Ti⁴⁺，可以抑制相邻两个Ti⁴⁺和Ti³⁺离子之间的电子跳变，从而抑制泄漏电流。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101193

14、通过构建细观和宏观界面，提高聚酰亚胺纳米复合材料的储能性能

Improved energy storage performance of polyimide nanocomposites by constructing the meso- and macroscopic interfaces

M. Ji, D. Min*, Y. Li, L. Yang, Q. Wu, W. Liu, S. Li

文章亮点：

（1）制备了夹心结构的PI/BT纳米复合材料。

（2）三明治结构PNC的储能密度可达7.44 J/cm³。

（3）有机/无机界面和层间极化使εr增大。

（4）夹层结构可以重新分布电场，减轻其畸变。

（5）外部绝缘层可以阻挡大电流和热击穿路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101200

15、面向储能用高端无铅陶瓷:同时提高能量密度和效率的Na_0.5Bi_0.5TiO₃基弛豫铁电体

Toward high-end lead-free ceramics for energy storage: Na_0.5Bi_0.5TiO₃-based relaxor ferroelectrics with simultaneously enhanced energy density and efficiency

Q. Yuan, S. Zhan, Y. Li, Y. Wang*, H. Yang, J.-J. Zhou, Z. Li, H. Jing, F.-Z. Yao, T. Lei

文章亮点：

（1）设计了一种弛豫铁电陶瓷，可达到4.20 J/cm³。

（2）储能对温度和频率都不敏感。

（3）基于热传导模型揭示了电学性能热稳定性的潜在机制。

（4）可实现超快放电速率和超高功率密度。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101202

16、用于高性能介电储能的PVDF基复合材料中填料的分散和对准研究进展

Recent advances in dispersion and alignment of fillers in PVDF-based composites for high-performance dielectric energy storage

J. Zhou, D. Hou, S. Cheng, J. Zhang, W. Chen, L. Zhou, P. Zhang*

文章亮点：

（1）讨论了PVDF基介电复合材料中填料分散和对准的意义。

（2）介绍了填料的表面和结构设计。

（3）讨论了PVDF基介电复合材料中一维和二维填料对齐的策略。

（4）提出了目前在PVDF基复合材料中实现高分散和填料对齐的挑战。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101208

17、通过夹芯制备用于电容储能的P(VDF-HFP)薄膜的介损降低和验证

Dielectric loss reduction and validation of P(VDF-HFP) films via sandwiching film fabrication for capacitive energy storage

X. Wu, Y. Ivry, J. Zheng, P. Zhang, Z. Zheng, D.Q. Tan*

文章亮点：

（1）低k/高k/低k夹层膜的介电常数可通过增加低k层厚度来调节。

（2）PEI/P(VDF-HFP)/PEI夹层膜的储能密度比PEI薄膜高2倍。

（3）三层结构可以将有损耗P(VDF-HFP)薄膜的介电损耗降低到0.005，对于电容器应用来说非常低。

（4）计算机模拟揭示了不同介质厚度比下的场和极化分布。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101209

18、高k钙钛矿纳米片涂层聚合物纳米复合材料实现能量密度的显著提高

Greatly enhanced energy density in polymer nanocomposites coated with high-k perovskite nanosheets

H. Liu, J. Chen, J. Wang, Y. Sun, C. Wang, P. Zhang, Z. Shen, X. Zhang, B.-W. Li, C.-W. Nan, S. Zhang*

文章亮点：

（1）提出了两种调整聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物储能密度的方法。

（2）通过在PVDF薄膜表面涂覆单层Ca₂Nb₃O₁₀钙钛矿纳米片来构建纳米复合薄膜。

（3）Ca₂Nb₃O₁₀层的厚度显著影响PVDF薄膜的储能性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101213

19、高温储能聚酰亚胺介质材料:聚合物多结构设计

High-temperature energy storage polyimide dielectric materials: polymer multiple-structure design

J.-W. Zha, Y. Tian, M.-S. Zheng, B. Wan, X. Yang, G. Chen*

文章亮点：

（1）介绍了一种提高PI介质利用率的聚合物复合结构策略。

（2）深入讨论了全有机高温储能介质。

（3）还介绍了PI介质中计算模拟方法的发展。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101217

20、通过表面拓扑调制，纳米复合材料中分层微电容结构实现了超低介电损耗和高热稳定性

Ultra-low dielectric loss and high thermal stability achieved by hierarchical microcapacitor structure in nanocomposites via surface topological modulation

X. Ni, X. Wang, J. Lin, X. Liu, Z.-K. Cui, P. Zuo, Q. Zhuang*

文章亮点：

（1）还原聚苯胺以垂直定向纳米棒的形式诱导生长。

（2）独特的分层微电容器，超细BaTiO₃嵌入多孔碳。

（3）超低介电损耗，电场作用下能量密度高。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101221