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，南京航空航天大学李伟伟教授与清华大学南策文院士等共同研制出一种新型介电储能材料，其能量密度是主流商用介电储能材料的数十至数百倍，有望成为下一代高功率脉冲技术的核心器件。相关研究成果于近日发表在国际顶级学术期刊《科学》上。

一种新型介电储能材料，其能量密度是主流商用介电储能材料的数十至数百倍，有望成为下一代高功率脉冲技术的核心器件。

研究团队原创性提出了在宽禁带绝缘介电材料中引入“树枝状纳米极性结构”的设计策略，成功构建了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。

李伟伟介绍，介电储能电容器在生活中随处可见，它能够瞬间释放能量，是名副其实的“功率倍增器”。小到集成电路板、心脏除颤仪，大到新能源汽车、风力发电站，都有它的身影。

目前，受传统材料的电化学性质所限，主流商用电容器存在功率密度与能量密度不可兼得的矛盾。“也就是说，虽然它们的功率密度高，但能量密度低，容易被击穿。我们想研究一种功率密度与能量密度都高的新材料，它能在快速充放电的同时保证安全性。”李伟伟说。

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。

随后，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。

历经三年多的探索，研究团队设计出了该树枝状纳米复合结构，并据此研制了边长5毫米的新型介电储能材料样品，其上分布着若干储能单元，每个单元的直径30微米。实验中，样品瞬时放电仅需3.3微秒，充放电循环达100亿次，在零下100摄氏度至零上170摄氏度的环境中，仍能稳定工作。

“更重要的是，样品的能量密度达到每立方厘米215.8焦耳，而主流商用电容器的能量密度仅为每立方厘米1.2焦耳至5焦耳。”李伟伟表示，下一步团队计划研制尺寸更大的硅基电容器，向着产业化的目标稳步迈进。

【本文转自“南京航空航天大学”微信公众号，转载进公共学习交流。】