2025年4月11日，南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院楊浩教授團(tuán)隊(duì)和李偉偉教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合清華大學(xué)南策文院士，在介電儲(chǔ)能領(lǐng)域取得重要突破，成功研發(fā)出儲(chǔ)能密度高達(dá)215.8 J/cm3的自組裝樹枝狀納米復(fù)合薄膜電容器，為高性能儲(chǔ)能器件開發(fā)提供了創(chuàng)新性策略。相關(guān)研究成果以《Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design》為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上。
論文第一作者為南航物理學(xué)院劉亞靜博士后、張洋副研究員、航空學(xué)院王婧教授和德國(guó)Max Planck研究所Chao Yang博士，論文通訊作者為德國(guó)Max Planck研究所Hongguang Wang博士、南航物理學(xué)院楊浩教授、李偉偉教授和清華大學(xué)南策文院士。論文得到了德國(guó)Max Planck研究所Peter A. van Aken教授和英國(guó)劍橋大學(xué)Judith L. MacManus-Driscoll院士的支持。
第一作者劉亞靜于2024年6月博士畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院楊浩教授團(tuán)隊(duì)，隨后入職南京航空航天大學(xué)博士后流動(dòng)站李偉偉教授團(tuán)隊(duì)。該項(xiàng)工作是南航自主培養(yǎng)的博士以第一作者身份、以南航為第一單位與通訊單位，在《Science》發(fā)表的科研成果，標(biāo)志著南京航空航天大學(xué)在基礎(chǔ)研究創(chuàng)新、理工交叉融合和高水平人才培養(yǎng)方面實(shí)現(xiàn)了新的重大突破。
介電儲(chǔ)能器件憑借其功率密度高、充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源、電動(dòng)汽車和高功率系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，已成為國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下新一代儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。但長(zhǎng)期以來，介電材料的儲(chǔ)能密度顯著低于鋰電池等主流儲(chǔ)能技術(shù)，成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸所在。
當(dāng)前制約介電儲(chǔ)能器件性能提升的關(guān)鍵科學(xué)問題，在于極化強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)之間存在的“內(nèi)稟倒置關(guān)系”。針對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)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(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)策略，成功構(gòu)建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復(fù)合薄膜模型體系，實(shí)現(xiàn)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)和極化強(qiáng)度的協(xié)同優(yōu)化，最終研制出儲(chǔ)能密度超國(guó)際同期水平的介電電容器。
DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)
研究團(tuán)隊(duì)首先利用相場(chǎng)模擬對(duì)DNP結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果顯示，在組分優(yōu)化后，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分支狀納米極性復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠顯著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(jié)構(gòu)優(yōu)異的儲(chǔ)能性能。
DNP復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)表征
研究團(tuán)隊(duì)基于自組裝納米復(fù)合薄膜的構(gòu)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(jié)構(gòu)表征證實(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(xiàn)了PZT區(qū)域內(nèi)部明顯的納米極性疇結(jié)構(gòu)。這些微觀特征共同賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的宏觀儲(chǔ)能性能。
DNP復(fù)合薄膜介電儲(chǔ)能性能
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的DNP結(jié)構(gòu)PZT-MgO復(fù)合薄膜電容器表現(xiàn)出突破性的儲(chǔ)能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復(fù)合薄膜中，實(shí)現(xiàn)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)與極化強(qiáng)度的協(xié)同提升：在7.4 MV/cm的超高電場(chǎng)下，其儲(chǔ)能密度高達(dá) 215.8 J/cm3，刷新了當(dāng)前介電儲(chǔ)能領(lǐng)域的國(guó)際最高記錄。該器件同時(shí)具備80.7%的儲(chǔ)能效率，兼具高能量輸出與低能量損耗。此外，在-100 ℃–170 ℃寬溫區(qū)范圍及1010次疲勞循環(huán)測(cè)試下，器件性能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。
在這項(xiàng)高水平成果的背后，是一支高度融合、協(xié)同攻關(guān)的卓越科研團(tuán)隊(duì)。在南策文院士的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)緊密協(xié)作，充分整合了物理、材料、集成電路等實(shí)驗(yàn)與理論多方面的技術(shù)力量。正是這種跨學(xué)院、跨學(xué)科、跨學(xué)校、跨國(guó)界的通力協(xié)作，構(gòu)筑了本成果從偶然發(fā)現(xiàn)到理論突破、從基礎(chǔ)創(chuàng)新到器件性能躍升的全鏈條科研閉環(huán)。科研不只是孤獨(dú)的求索，更是思想與智慧的匯流。正是“你中有我、我中有你”的團(tuán)隊(duì)精神，最終凝練為一項(xiàng)“國(guó)際領(lǐng)先”的重大成果。
研究團(tuán)隊(duì)
（原標(biāo)題：重大突破丨我校物理學(xué)院在《Science》上發(fā)表重大研究成果）
本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-3502-0.html南航團(tuán)隊(duì)Science發(fā)文，介電儲(chǔ)能領(lǐng)域重要突破
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