4 月 12 日消息，4 月 11 日，南京航空航天大学李伟伟教授与清华大学南策文院士等成功研发出储能密度达 215.8 J / cm3 的自组装树枝状纳米复合薄膜电容器，为高性能储能器件开发提供了创新性策略。相关研究成果以《Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design》为题发表在国际顶级期刊《Science》上。
据介绍，介电储能器件凭借其功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、高温稳定性好等优点，在可再生能源、电动汽车和高功率系统等领域展现出广阔的应用前景，已成为国家“双碳”战略目标下新一代储能技术的重要发展方向。但长期以来，介电材料的储能密度显著低于锂电池等主流储能技术，成为限制其进一步应用的瓶颈所在。
当前制约介电储能器件性能提升的关键科学问题，在于极化强度与击穿场强之间存在的“内禀倒置关系”。针对关键科学问题，研究团队原创性提出了在宽禁带绝缘介电材料中引入“树枝状纳米极性（Dendritic Nanopolar, DNP）结构”的设计策略，成功构建了 PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自组装树枝状纳米复合薄膜模型体系，实现了击穿场强和极化强度的协同优化，最终研制出储能密度超国际同期水平的介电电容器。
研究团队首先利用相场模拟对 DNP 结构进行设计与预测。模拟结果显示，在组分优化后，相较于传统结构，分支状纳米极性复合结构能够显著抑制界面处的局域场集中效应并增加击穿路径的曲折度，从而大幅提升复合结构的击穿场强。同时，DNP 复合结构中存在更加无序的铁电 R 相和 T 相纳米畴混合，能够赋予该结构优异的储能性能。
研究团队基于自组装纳米复合薄膜的构建方法，在宽禁带绝缘体 MgO 中引入树枝状 PZT 铁电相。多尺度结构表征证实了 DNP 结构复合薄膜的成功制备：原子分辨 STEM 成像显示出 PZT 与 MgO 之间清晰可辨的界面；原子位移映射和极化矢量可视化分析更是清楚呈现了 PZT 区域内部明显的纳米极性畴结构。这些微观特征共同赋予了复合材料优异的宏观储能性能。
研究团队构建的 DNP 结构 PZT-MgO 复合薄膜电容器表现出突破性的储能性能。在摩尔配比为 1:1 的 PZT-MgO 复合薄膜中，实现了击穿场强与极化强度的协同提升：在 7.4 MV / cm 的超高电场下，其储能密度高达 215.8 J / cm3，刷新了当前介电储能领域的国际最高记录。该器件同时具备 80.7% 的储能效率，兼具高能量输出与低能量损耗。此外，在-100 ℃–170 ℃宽温区范围及 1010 次疲劳循环测试下，器件性能保持优异的稳定性。
IT酷哥附论文链接如下：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2703
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