我国学者在高密度介电储能领域取得进展

　　

图 (A)三维自组装树枝状纳米复合结构示意图；(B)铁电体-宽禁带绝缘体三维自组装树枝状纳米复合结构；(C)本工作与其他介电电容的能量存储性能对比

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52388201、52102177、52472125）等资助下，南京航空航天大学李伟伟教授、清华大学南策文教授与合作者在高功率电介质能量存储方面取得进展。相关研究成果以“基于树枝状纳米极性畴构建超高电容能量存储（Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design）”为题，于2025年4月11日在线发表于《科学》（Science）上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2703。

　　介电电容器作为高功率脉冲技术的核心基础储能元件，在超高功率装置等尖端科技领域具有重要战略价值。然而，介电电容器储能密度偏低是制约其应用发展的关键瓶颈。研制兼具高储能密度与高能量效率的新型介电材料，不仅是实现储能元件微型化与模块化的必要路径，也是突破电力电子领域发展瓶颈的核心要素，成为当今材料物理科技领域的重点前沿方向之一。

　　南京航空航天大学李伟伟教授与合作者创新性地提出了一种三维自组装树枝状纳米复合结构的设计策略，成功突破了极化强度与介电击穿强度之间的传统制约关系，显著提升了电容器件的储能密度与可靠性。理论分析与实验研究表明：三维树枝状网络能够有效阻断击穿通道；同时，树枝状结构上的铁电相诱导形成菱方相/四方相混合纳米极性畴，从而产生强弛豫特性、高饱和极化强度和低剩余极化强度，并伴随类似反铁电行为的出现和漏电流密度的显著降低。通过上述机制，该研究实现了高达215.8 J/cm³的超高能量密度以及80.7%的储能效率。此外，该电容器还表现出卓越的循环稳定性（10¹⁰次疲劳循环测试）、温度稳定性（-100 ~ 170oC范围内储能密度波动小于6%）和快速放电响应特性（放电响应时间3.3 ms）。

　　该研究突破了传统单相介电材料优化的理论框架，解决了极化强度与击穿场强难以协同提升的困境，为介电储能器件在更高储能密度、更高能量效率和更快放电响应方向的性能突破提供了理论与技术支撑。