我国科学家研发出超高储能密度介电电容器，刷新国际记录！
近期，南京航空航天大学的李伟伟教授携手清华大学的南策文院士，在储能技术领域取得了重大突破。他们成功研发出一种具有超高储能密度的自组装树枝状纳米复合薄膜电容器，该成果不仅在国际顶级期刊《Science》上发表，而且为高性能储能器件的开发开辟了新的道路。
介电储能器件以其卓越的性能，如高功率密度、快速充放电能力、长寿命以及高温稳定性，在可再生能源、电动汽车和高功率系统等领域具有广泛的应用潜力。然而，介电材料的储能密度长期低于锂电池等主流储能技术，这限制了其进一步发展。为了突破这一瓶颈，研究团队提出了创新的解决方案。
研究团队面对的关键挑战在于介电储能器件的极化强度与击穿场强之间的“内禀倒置关系”。为了解决这一问题，他们创造性地设计了一种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”的策略。通过这一策略，他们成功构建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自组装树枝状纳米复合薄膜，实现了击穿场强和极化强度的双重提升。
在研发过程中，团队首先利用相场模拟对DNP结构进行了详细的设计与预测。模拟结果显示，相较于传统结构，DNP结构的分支状纳米极性复合结构能够有效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复合结构中的铁电R相和T相纳米畴混合更加无序，赋予了该结构出色的储能性能。
基于自组装纳米复合薄膜的构建方法，研究团队在宽禁带绝缘体MgO中成功引入了树枝状PZT铁电相。通过多尺度结构表征，他们证实了DNP结构复合薄膜的成功制备。原子分辨STEM成像清晰地显示了PZT与MgO之间的界面，而原子位移映射和极化矢量可视化分析则进一步揭示了PZT区域内部的纳米极性畴结构。这些微观特征共同促成了复合材料的卓越储能性能。
最终，研究团队构建的DNP结构PZT-MgO复合薄膜电容器展现出了突破性的储能性能。在摩尔配比为1:1的PZT-MgO复合薄膜中，该电容器在7.4 MV/cm的超高电场下，储能密度高达215.8 J/cm³，刷新了介电储能领域的国际最高记录。该器件还具备80.7%的储能效率，能够在高能量输出的同时保持低能量损耗。在-100 ℃至170 ℃的宽温区范围内以及经过10¹⁰次疲劳循环测试后，器件性能依然保持稳定。
这一研究成果不仅为高性能储能器件的开发提供了创新性策略，也为介电储能技术的发展注入了新的活力。随着该技术的进一步推广和应用，有望在未来推动可再生能源、电动汽车以及高功率系统等领域的快速发展。
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