科學(xué)背景
電能存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)先進(jìn)電子和電氣系統(tǒng)至關(guān)重要,其中基于介電材料的靜電電容器憑借其超快充放電能力和穩(wěn)定性成為能量存儲(chǔ)的有力候選者。與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比,電介質(zhì)電容器在功率密度方面具有顯著優(yōu)勢(shì),尤其適用于高頻、高功率密集型設(shè)備。然而,低擊穿強(qiáng)度和抑制極化導(dǎo)致的低能量密度仍然是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)艱巨挑戰(zhàn)。此外,如何在高電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高極化率與高擊穿強(qiáng)度的兼得,也一直是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新成果
基于以上難題,南京航空航天大學(xué)李偉偉教授、楊浩教授與德國(guó)馬普所王紅光教授、清華大學(xué)南策文院士等人聯(lián)合在Science上發(fā)表了題為“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”的論文,提出了一種微觀結(jié)構(gòu)策略,利用自組裝的樹枝狀納米極化(DNP)結(jié)構(gòu),并將其引入到寬禁帶絕緣材料中,同時(shí)提高了擊穿強(qiáng)度和高場(chǎng)極化率,最大限度地減少了能量損失,從而顯著提高了儲(chǔ)能性能和穩(wěn)定性。
同時(shí),DNP結(jié)構(gòu)保留了極化區(qū)域的連接性,實(shí)現(xiàn)在高電場(chǎng)下的大極化率與低剩余極化的平衡,降低了能量損耗。
研究表明,基于DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的PbZr0.53Ti0.47O3-MgO薄膜在7.4 MV/cm的高電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了215.8 J/cm3的高能量密度和80.7%的充放電效率。本研究為設(shè)計(jì)高性能微型電容器提供了新路徑,也對(duì)未來新型電介質(zhì)材料的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
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