近期，南京航空航天大學的李偉偉教授攜手清華大學的南策文院士，在儲能技術領域取得了重大突破。他們成功研發出一種具有超高儲能密度的自組裝樹枝狀納米復合薄膜電容器，該成果不僅在國際頂級期刊《Science》上發表，而且為高性能儲能器件的開發開辟了新的道路。
介電儲能器件以其卓越的性能，如高功率密度、快速充放電能力、長壽命以及高溫穩定性，在可再生能源、電動汽車和高功率系統等領域具有廣泛的應用潛力。然而，介電材料的儲能密度長期低于鋰電池等主流儲能技術，這限制了其進一步發展。為了突破這一瓶頸，研究團隊提出了創新的解決方案。
研究團隊面對的關鍵挑戰在于介電儲能器件的極化強度與擊穿場強之間的“內稟倒置關系”。為了解決這一問題，他們創造性地設計了一種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”的策略。通過這一策略，他們成功構建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復合薄膜，實現了擊穿場強和極化強度的雙重提升。
在研發過程中，團隊首先利用相場模擬對DNP結構進行了詳細的設計與預測。模擬結果顯示，相較于傳統結構，DNP結構的分支狀納米極性復合結構能夠有效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復合結構中的鐵電R相和T相納米疇混合更加無序，賦予了該結構出色的儲能性能。
基于自組裝納米復合薄膜的構建方法，研究團隊在寬禁帶絕緣體MgO中成功引入了樹枝狀PZT鐵電相。通過多尺度結構表征，他們證實了DNP結構復合薄膜的成功制備。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一步揭示了PZT區域內部的納米極性疇結構。這些微觀特征共同促成了復合材料的卓越儲能性能。
最終，研究團隊構建的DNP結構PZT-MgO復合薄膜電容器展現出了突破性的儲能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復合薄膜中，該電容器在7.4 MV/cm的超高電場下，儲能密度高達215.8 J/cm3，刷新了介電儲能領域的國際最高記錄。該器件還具備80.7%的儲能效率，能夠在高能量輸出的同時保持低能量損耗。在-100 ℃至170 ℃的寬溫區范圍內以及經過101?次疲勞循環測試后，器件性能依然保持穩定。
這一研究成果不僅為高性能儲能器件的開發提供了創新性策略，也為介電儲能技術的發展注入了新的活力。隨著該技術的進一步推廣和應用，有望在未來推動可再生能源、電動汽車以及高功率系統等領域的快速發展。
