在近20 年的科学研究和学习中，我主要围绕介电高分子材料与器件这个主题开展工作，陆续发表了一些论文。2010 年以来，曾应邀以该主题在国际材料科学评论Progress in Materials Science和国际材料领域著名刊物Advanced Materials等发表了多篇重要综述论文。另外，在国内外从事储能聚合物电介质材料研究者的鼎力支持下，由我主导负责完成了该领域首部英文专著Dielectric Polymer Materials for High-Density Energy Storage，该专著2018 年由Elsevier 出版社出版发行。由于国内对该领域的研究和学生培养愈加重视，同时，尽管高储能密度聚合物电介质材料的研究已连续2 年入选我国新材料研究十大热点之一，但目前尚未有相关中文书籍面向读者，许多同行一直鼓励我尽快出版这本《储能聚合物电介质导论》以供我国研究同行参考和教学使用。因此，本书是在作者英文专著之后对储能聚合物电介质领域的国内外重要研究成果进行全面详细阐述的系统总结。
人类社会的发展严重依赖于各种能源的利用，化石能源起到了非常重要的作用。目前，水能、太阳能、风能、海洋能等新能源正在被人类广泛应用。在能源利用方式上，今后电磁能将是高技术发展过程中一种重要的能源利用途径。实现电磁能的安全高效利用首先应查明储能薄膜电容器用介质材料的结构与性能关系。自上世纪60 年代以来，聚合物电介质薄膜(典型代表聚丙烯薄膜)因其独有的介电特性、加工特性和优良的性价比，在电子、电力电容器等行业得到广泛的应用。自金属聚丙烯薄膜电容器实现产业化，一定程度上改善了薄膜电容器的储能密度。然而，受限于聚合物材料普遍较低的介电常数，金属化薄膜电容器的储能密度无法获得显著提升，这一问题已严重阻碍了电磁能装备的发展。在这种背景下，目前国内外众多研究者利用不同的原理和方法，在兼顾高功率密度前提下，对提高聚合物及其复合电介质材料的储能密度做出了一些创新性成果。但由于该领域存在的几个关键科学问题尚未真正解决，储能电介质材料研究的颠覆性突破仍需时日。此时，撰写和出版内容新颖、概念清晰、方法多样、论述深刻而系统的专著是十分必要的，党智敏教授的《储能聚合物电介质导论》专著有望推动该领域的研究向更好层次迈进。
中国工程院院士
四川大学校长
2020 年2 月于成都
薄膜电容器作为一种物理储能器件，在许多领域具有重要的工程应用。例如，在近年来发展的高压直流输电和柔直输电工程中，薄膜电容器几乎占到直流输电装备成本的30%。在今后能源互联网技术、电能质量优化技术，以及风电、太阳能等绿色能源接入大容量电网技术中，高储能薄膜电容器也将发挥重要作用。另外，脉冲功率技术、电磁弹射技术、电动汽车技术及国家重大科学研究计划大型装置等在发展中都对高储能薄膜电容器提出了急迫需求。影响薄膜电容器储能密度提高的关键是所使用的介质薄膜储能密度较低，因此发展高储能密度的薄膜介质材料是目前该领域国内外研究的热点与难点。
▲ 聚合物的五种极化对介电常数(ε′)和介电损耗(ε″)的影响
材料的介电常数和击穿电场是决定介质薄膜储能密度的关键介电参数。目前薄膜电容器介质材料以双轴拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜为主，尽管BOPP 具有较高击穿电场，但其较低的介电常数(约2.2)成为制约储能密度提高的关键因素。事实上，普通均相电介质材料具有介电常数和击穿电场难以同步提高的内禀性矛盾，这主要是由材料多尺度结构及其电场作用下的电极化行为所决定的。也就是说，材料的介电常数越低，则击穿电场相对较高；反之，材料的介电常数越高，则击穿电场相对较低。因此，运用电介质物理与电介质化学的理论，基于电介质材料的电极化机制，通过精巧设计聚合物多尺度结构(特别是链结构和聚集态结构等)或者聚合物复合材料的显微结构或介观结构是实现高储能密度聚合物电介质及其复合电介质的重要途径。高储能密度聚合物电介质的研究就是采用新材料设计思想，力图解决电介质材料介电常数和击穿电场难以同步提高的内禀性矛盾，实现电介质材料介电常数和击穿电场的解耦调控。
正是基于聚合物电介质在薄膜电容器中的应用场景，围绕提高器件储能密度的目标，《储能聚合物电介质导论》试图系统阐述储能聚合物电介质及其复合电介质多尺度结构与性能的关系，其有两个目的：
一是希望引导该领域研究人员对新型储能聚合物电介质的深入研究；
二是试图架设材料科学研究与高储能薄膜电容器研究之间的桥梁(主要是因为目前很多材料研究没有关注到薄膜和器件的制备过程及器件的应用场景)，最终实现“料定电容未来”的研究初衷。
本书主要从基础理论出发，围绕该领域关注的关键科学与技术问题，重点介绍储能聚合物电介质及其聚合物复合电介质的设计、制备、结构与性能关系，分析研究各种类型储能电介质在不同频率、不同温度和不同电场条件下的电极化行为、电荷输运、储能和充放电特性等，揭示影响储能聚合物电介质及其聚合物复合电介质宏观性能的关键因素，为储能电介质应用基础研究提供思路，并为其未来工程应用奠定基础。由于储能电介质材料研究的特殊性，本书有意编排了“储能电介质基础理论”和“聚合物介电特性基础理论”两部分内容，其目的是给相关人员提供该领域涉及的基础知识和专业知识，从而也有利于掌握本书其他章节的重要内容，给初涉该领域的学生和研究人员提供由浅入深的相关知识。
在此有三点需要特别提示：
一是目前储能聚合物电介质材料研究更多集中在材料设计、制备及其结构与性能关系方面，薄膜电容器制备工艺、可实际应用的高储能全有机聚合物材料及复合电介质材料是今后研究的重点；
二是应关注储能介质薄膜规模化制备过程中多尺度精细结构控制及其结构与性能关系，在没有找到更合适的规模化制备方法前提下，双轴拉伸工艺仍是规模化低成本制备介质薄膜的主要方法；
三是应关注高储能薄膜电容器应用场景下介质薄膜及电容器的老化破坏机制，揭示多次充放电循环条件下介质薄膜和电容器性能变化规律。
本书内容更多体现在储能聚合物电介质材料设计、制备及其结构与性能关系的介绍，对第二、第三点等在第1 章“绪论”中也有简单论述，请读者在今后研究中予以重点关注，以期大家研究的新材料能够满足高储能薄膜电容器的实际应用。
党智敏教授撰写的这本《储能聚合物电介质导论》，尝试系统阐述储能聚合物电介质及其复合电介质多尺度结构与性能的关系，特别是通过具体材料体系为例，描述储能电介质组成、结构与电极化行为的关联，并揭示其对电介质材料介电性能和储能特性的影响规律。该书作者多年来长期坚持这一领域的前沿研究工作，并以自己多年的研究工作为基础，同时综合参考了国内外有关文献和新进展，书中涵盖内容丰富，基本全面反映了储能聚合物电介质领域的主要成果和关键问题。在处理方法上，作者力求基础理论简化、易懂和实用，强调基础理论和研究方法与实际材料问题紧密结合。在论述中，则主要侧重于材料介电性能调控方法的实际应用，以一些具有代表性的材料体系为例，给读者展示了如何运用新材料设计思想开展储能电介质新材料的研究。相信该书的出版可对我国储能聚合物基电介质材料领域研究工作者提供有益的帮助，以促进我国储能聚合物电介质薄膜的研究与应用。
中国科学院院士
2020 年1 月于清华园
本文摘编自《储能聚合物电介质导论》（党智敏著. 北京：科学出版社，2021.3）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-067591-0
责任编辑：范运年 孙 曼
储能技术已成为全球关注的重要问题，主要包括化学储能技术和物理储能技术。在物理储能技术中，基于电介质材料的薄膜电容器物理储能技术越来越受到科技界的关注。本书主要从基础理论出发，重点介绍储能聚合物电介质及其聚合物复合电介质的设计、制备、结构与性能关系。本书共包括四个部分：第一部分(第1 章)介绍基本概念、存在问题、重点研究内容及发展方向；第二部分(第2～6 章)介绍储能电介质基本特性、基础理论及结构与性能的调控理论；第三部分(第7～10 章)重点讨论储能电介质设计、制备及其结构与性能关系；第四部分(第11～13 章)是第二、第三部分内容的延伸和提升，介绍获得高储能聚合物复合电介质的重要途径。
本书适合能源互联网新能源技术、输配电新技术、脉冲功率技术、电磁弹射技术、先进电动汽车及现代重大科学研究计划等涉及物理储能薄膜电容器相关领域的科技工作者阅读，也可供高等院校、科研机构和相关企业从事储能电介质新材料和高储能薄膜电容器研究的教师、研究生、高年级本科生及企业研发人员等参考。
（本文编辑：刘四旦）
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