我國科學家在高密度介電儲能領域取得新突破

IT之家 4 月 12 日消息，4 月 11 日，南京航空航天大學李偉偉教授與清華大學南策文院士等成功研發出儲能密度達 215.8 J / cm3 的自組裝樹枝狀納米復合薄膜電容器，為高性能儲能器件開發提供了創新性策略。相關研究成果以《Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design》為題發表在國際頂級期刊《Science》上。

據介紹，介電儲能器件憑借其功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩定性好等優點，在可再生能源、電動汽車和高功率系統等領域展現出廣闊的應用前景，已成為國家“雙碳”戰略目標下新一代儲能技術的重要發展方向。但長期以來，介電材料的儲能密度顯著低于鋰電池等主流儲能技術，成為限制其進一步應用的瓶頸所在。

當前制約介電儲能器件性能提升的關鍵科學問題，在于極化強度與擊穿場強之間存在的“內稟倒置關系”。針對關鍵科學問題，研究團隊原創性提出了在寬禁帶絕緣介電材料中引入“樹枝狀納米極性（Dendritic Nanopolar, DNP）結構”的設計策略，成功構建了 PbZr_0.53Ti_0.47O₃-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復合薄膜模型體系，實現了擊穿場強和極化強度的協同優化，最終研制出儲能密度超國際同期水平的介電電容器。

研究團隊首先利用相場模擬對 DNP 結構進行設計與預測。模擬結果顯示，在組分優化后，相較于傳統結構，分支狀納米極性復合結構能夠顯著抑制界面處的局域場集中效應并增加擊穿路徑的曲折度，從而大幅提升復合結構的擊穿場強。同時，DNP 復合結構中存在更加無序的鐵電 R 相和 T 相納米疇混合，能夠賦予該結構優異的儲能性能。

研究團隊基于自組裝納米復合薄膜的構建方法，在寬禁帶絕緣體 MgO 中引入樹枝狀 PZT 鐵電相。多尺度結構表征證實了 DNP 結構復合薄膜的成功制備：原子分辨 STEM 成像顯示出 PZT 與 MgO 之間清晰可辨的界面；原子位移映射和極化矢量可視化分析更是清楚呈現了 PZT 區域內部明顯的納米極性疇結構。這些微觀特征共同賦予了復合材料優異的宏觀儲能性能。

研究團隊構建的 DNP 結構 PZT-MgO 復合薄膜電容器表現出突破性的儲能性能。在摩爾配比為 1:1 的 PZT-MgO 復合薄膜中，實現了擊穿場強與極化強度的協同提升：在 7.4 MV / cm 的超高電場下，其儲能密度高達 215.8 J / cm3，刷新了當前介電儲能領域的國際最高記錄。該器件同時具備 80.7% 的儲能效率，兼具高能量輸出與低能量損耗。此外，在-100 ℃–170 ℃寬溫區范圍及 10¹⁰ 次疲勞循環測試下，器件性能保持優異的穩定性。

IT之家附論文鏈接如下：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2703