聚合物電介質(zhì)是薄膜電容器的核心儲(chǔ)能材料，在電動(dòng)汽車、風(fēng)/光發(fā)電設(shè)施中發(fā)揮著不可替代的作用，它具有極高的功率密度和極快的充放電速率，但其能量密度受到高溫?fù)舸﹫?chǎng)強(qiáng)的制約。在聚合物中引入寬帶隙、高電子親和能的填料可以有效抑制其內(nèi)部的電荷遷移，延緩電荷遷移引發(fā)的電子雪崩和擊穿裂紋，提高復(fù)合電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，但采用傳統(tǒng)的人工搜索方法尋找同時(shí)具有寬帶隙和高電子親和能的填料十分困難。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)材料學(xué)院沈洋課題組采用生成式機(jī)器學(xué)習(xí)方法深入探究了有機(jī)分子填料的化學(xué)結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，訓(xùn)練后的機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有較高的性能預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，采用該模型準(zhǔn)確輸出了超過(guò)200種有機(jī)分子，并合成了兩種兼具寬帶隙(5.5 eV)和高電子親和能(4.5 eV)的小分子作為填料。摻入聚合物基體的小分子填料一方面可通過(guò)高電子親和能捕獲電子，另一方面可通過(guò)寬帶隙阻礙電子在其內(nèi)部的遷移，因此可以顯著降低電介質(zhì)內(nèi)部的泄漏電流密度，大幅提升高溫?fù)舸﹫?chǎng)強(qiáng)。該研究中的復(fù)合電介質(zhì)在250°C高溫下達(dá)到了5.1 J cm-3的能量密度(充放電效率為90%)，超過(guò)了目前絕大多數(shù)的聚合物電介質(zhì)材料。課題組還基于自行搭建的卷對(duì)卷流延設(shè)備，連續(xù)化制備了千米級(jí)的復(fù)合電介質(zhì)薄膜，并實(shí)現(xiàn)了基于新型聚合物復(fù)合電介質(zhì)薄膜的電容器的工業(yè)化生產(chǎn)。相較于傳統(tǒng)的聚丙烯薄膜電容器，復(fù)合電介質(zhì)薄膜電容器在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度、功率密度與電容穩(wěn)定性，并可實(shí)現(xiàn)自愈，這代表了高溫高儲(chǔ)能聚合物電介質(zhì)材料向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大突破。
 

基于生成式機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)高溫高儲(chǔ)能聚合物復(fù)合電介質(zhì)薄膜電容器
 

　　研究成果以“機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的高溫高儲(chǔ)能聚合物復(fù)合電容器”(High-Temperature Polymer Composite Capacitors with High Energy Density Designed via Machine Learning)為題，于9月9日在線發(fā)表于《自然·能源》(Nature Energy)。
 

　　清華大學(xué)材料學(xué)院博士后楊敏錚和武漢理工大學(xué)2025級(jí)博士生萬(wàn)超凡為論文第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院教授沈洋為論文通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)系教授王訓(xùn)和武漢理工大學(xué)教授沈忠慧為論文共同通訊作者。其他合作者還包括清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士、化學(xué)系教授段煉、材料學(xué)院副研究員胡澎浩以及烏鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)室副研究員江建勇等。材料學(xué)院教授萬(wàn)春磊、席小慶等為研究提供了重要幫助。
 

　　研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、青年基金(博士生項(xiàng)目)、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、清華大學(xué)“水木學(xué)者”項(xiàng)目等的大力支持。