2025年4月11日， 南京航空航天大學物理學院楊浩教授團隊和李偉偉教授團隊，聯(lián)合清華大學南策文院士，在介電儲能領域取得重要突破，成功研發(fā)出儲能密度高達215.8 J/cm 3 的自組裝樹枝狀納米復合薄膜電容器，為高性能儲能器件開發(fā)提供了創(chuàng)新性策略。相關研究成果以《Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design》為題發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上。

論文第一作者為南航物理學院劉亞靜博士后、張洋副研究員、航空學院王婧教授和德國Max Planck研究所Chao Yang博士，論文通訊作者為德國Max Planck研究所Hongguang Wang博士、南航物理學院楊浩教授、李偉偉教授和清華大學南策文院士。論文得到了德國Max Planck研究所Peter A. van Aken教授和英國劍橋大學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)于我校物理學院楊浩教授團隊，隨后入職我校博士后流動站李偉偉教授團隊。該項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，標志著我校在基礎研究創(chuàng)新、理工交叉融合和高水平人才培養(yǎng)方面實現(xiàn)了新的重大突破。

介電儲能器件憑借其功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在可再生能源、電動汽車和高功率系統(tǒng)等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，已成為國家“雙碳”戰(zhàn)略目標下新一代儲能技術的重要發(fā)展方向。但長期以來，介電材料的儲能密度顯著低于鋰電池等主流儲能技術，成為限制其進一步應用的瓶頸所在。

當前制約介電儲能器件性能提升的關鍵科學問題，在于極化強度與擊穿場強之間存在的“內稟倒置關系”。針對關鍵科學問題，研究團隊原創(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）結構”的設計策略，成功構建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復合薄膜模型體系，實現(xiàn)了擊穿場強和極化強度的協(xié)同優(yōu)化，最終研制出儲能密度超國際同期水平的介電電容器。

DNP結構設計與預測

研究團隊首先利用相場模擬對DNP結構進行設計與預測。模擬結果顯示，在組分優(yōu)化后，相較于傳統(tǒng)結構，分支狀納米極性復合結構能夠顯著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，能夠賦予該結構優(yōu)異的儲能性能。

DNP復合薄膜結構表征

研究團隊基于自組裝納米復合薄膜的構建方法，在寬禁帶絕緣體MgO中引入樹枝狀PZT鐵電相。多尺度結構表征證實了DNP結構復合薄膜的成功制備：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)域內部明顯的納米極性疇結構。這些微觀特征共同賦予了復合材料優(yōu)異的宏觀儲能性能。

DNP復合薄膜介電儲能性能

研究團隊構建的DNP結構PZT-MgO復合薄膜電容器表現(xiàn)出突破性的儲能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復合薄膜中，實現(xiàn)了擊穿場強與極化強度的協(xié)同提升：在7.4 MV/cm的超高電場下，其儲能密度高達 215.8 J/cm3，刷新了當前介電儲能領域的國際最高記錄。該器件同時具備80.7%的儲能效率，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)測試下，器件性能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。

在這項高水平成果的背后，是一支高度融合、協(xié)同攻關的卓越科研團隊。在南策文院士的指導下，研究團隊緊密協(xié)作，充分整合了物理、材料、集成電路等實驗與理論多方面的技術力量。正是這種跨學院、跨學科、跨學校、跨國界的通力協(xié)作，構筑了本成果從偶然發(fā)現(xiàn)到理論突破、從基礎創(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”的團隊精神，最終凝練為一項“國際領先”的重大成果。

研究團隊

本研究獲得了國家自然科學基金基礎科學中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家高層次青年人才和江蘇省特聘教授等項目的支持。

論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2703

來源：南航

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