近期，南京航空航天大學(xué)的李偉偉教授攜手清華大學(xué)的南策文院士，在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。他們成功研發(fā)出一種具有超高儲(chǔ)能密度的自組裝樹(shù)枝狀納米復(fù)合薄膜電容器，該成果不僅在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上發(fā)表，而且為高性能儲(chǔ)能器件的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的道路。

介電儲(chǔ)能器件以其卓越的性能，如高功率密度、快速充放電能力、長(zhǎng)壽命以及高溫穩(wěn)定性，在可再生能源、電動(dòng)汽車和高功率系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。然而，介電材料的儲(chǔ)能密度長(zhǎng)期低于鋰電池等主流儲(chǔ)能技術(shù)，這限制了其進(jìn)一步發(fā)展。為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新的解決方案。

研究團(tuán)隊(duì)面對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于介電儲(chǔ)能器件的極化強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)之間的“內(nèi)稟倒置關(guān)系”。為了解決這一問(wèn)題，他們創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種在寬禁帶絕緣介電材料中引入“樹(shù)枝狀納米極性（Dendritic Nanopolar, DNP）結(jié)構(gòu)”的策略。通過(guò)這一策略，他們成功構(gòu)建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹(shù)枝狀納米復(fù)合薄膜，實(shí)現(xiàn)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)和極化強(qiáng)度的雙重提升。

在研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)首先利用相場(chǎng)模擬對(duì)DNP結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，DNP結(jié)構(gòu)的分支狀納米極性復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效抑制界面處的局域場(chǎng)集中效應(yīng)，并增加擊穿路徑的曲折度，從而大幅提升復(fù)合結(jié)構(gòu)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。同時(shí)，DNP復(fù)合結(jié)構(gòu)中的鐵電R相和T相納米疇混合更加無(wú)序，賦予了該結(jié)構(gòu)出色的儲(chǔ)能性能。

基于自組裝納米復(fù)合薄膜的構(gòu)建方法，研究團(tuán)隊(duì)在寬禁帶絕緣體MgO中成功引入了樹(shù)枝狀PZT鐵電相。通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)表征，他們證實(shí)了DNP結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的成功制備。原子分辨STEM成像清晰地顯示了PZT與MgO之間的界面，而原子位移映射和極化矢量可視化分析則進(jìn)一步揭示了PZT區(qū)域內(nèi)部的納米極性疇結(jié)構(gòu)。這些微觀特征共同促成了復(fù)合材料的卓越儲(chǔ)能性能。

最終，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的DNP結(jié)構(gòu)PZT-MgO復(fù)合薄膜電容器展現(xiàn)出了突破性的儲(chǔ)能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復(fù)合薄膜中，該電容器在7.4 MV/cm的超高電場(chǎng)下，儲(chǔ)能密度高達(dá)215.8 J/cm3，刷新了介電儲(chǔ)能領(lǐng)域的國(guó)際最高記錄。該器件還具備80.7%的儲(chǔ)能效率，能夠在高能量輸出的同時(shí)保持低能量損耗。在-100 ℃至170 ℃的寬溫區(qū)范圍內(nèi)以及經(jīng)過(guò)101?次疲勞循環(huán)測(cè)試后，器件性能依然保持穩(wěn)定。

這一研究成果不僅為高性能儲(chǔ)能器件的開(kāi)發(fā)提供了創(chuàng)新性策略，也為介電儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，有望在未來(lái)推動(dòng)可再生能源、電動(dòng)汽車以及高功率系統(tǒng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展。