編輯總結(jié)
電容器等能量存儲器件主要由具有優(yōu)異介電性能的材料構(gòu)成，尤其是能儲存、充電和放電的能力。本研究開發(fā)了一種由鋯鈦酸鉛（PZT）和氧化鎂（MgO）組成的納米復(fù)合材料，其中兩相的形貌結(jié)構(gòu)有助于提升材料的電擊穿強(qiáng)度。氧化鎂作為絕緣相，具有樹枝狀結(jié)構(gòu)，可抑制在高電場下導(dǎo)致材料失效的電樹枝的生長。這種復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的能量密度，該制備策略有望用于開發(fā)性能更優(yōu)的電容器。——Marc S. Lavine
研究背景
由于具備超快充放電能力，具有超高功率密度的靜電介電電容器在先進(jìn)電子與電力系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用前景。然而，實際應(yīng)用中仍面臨能量密度低的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其根源在于電擊穿強(qiáng)度低和極化能力受限。
在鐵電壓電介電領(lǐng)域，研究通過P-E電滯回線測到的是鐵電電容器兩端的電荷隨疇結(jié)構(gòu)變化的動態(tài)響應(yīng)。介電電容器的能量存儲性能由該曲線決定，公式如下：
其中Ue是放電能量密度和η是效率；此外：Pm、Pr 和 Uloss 分別是最大極化、剩余極化和能量損失。
有鑒于此，南京航空航天大學(xué)楊浩教授、李偉偉教授聯(lián)合清華大學(xué)南策文院士、德國馬普所王紅光教授在Science期刊上發(fā)表了題為“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”的最新論文。他們提出了一種微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，即在絕緣體中自組裝形成樹枝狀納米極化（DNP）區(qū)域，可在同時提升電擊穿強(qiáng)度與高電場極化能力的同時，降低能量損耗，從而顯著改善能量存儲性能與穩(wěn)定性。
在本研究中，研究者通過該DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備了PbZr?.??Ti?.??O?-MgO薄膜，在7.4兆伏/厘米的高電場下實現(xiàn)了215.8焦耳/立方厘米的高能量密度，以及80.7%的能量轉(zhuǎn)化效率。該策略具有廣泛適用性，為高性能介電微電容器的開發(fā)提供了新思路。
研究亮點
（1）實驗首次在PbZr?.??Ti?.??O?-MgO（PM）薄膜中引入自組裝樹枝狀納米極性結(jié)構(gòu)（dendritic nanopolar, DNP），實現(xiàn)了鐵電相與絕緣相的協(xié)同構(gòu)筑，從而在保證高極化強(qiáng)度的同時，有效抑制了電擊穿路徑的發(fā)展，得到了高達(dá)215.8 J/cm3的能量密度和80.7%的能量存儲效率，在7.4 MV/cm高電場下仍具有優(yōu)異的能量存儲表現(xiàn)。
（2）實驗通過設(shè)計DNP結(jié)構(gòu)，使得極性納米區(qū)域呈樹枝狀分布于高帶隙絕緣相中（如MgO），顯著增加了電樹枝的生長路徑復(fù)雜度與障礙，有效提升了材料的擊穿強(qiáng)度。同時，這種結(jié)構(gòu)在納米尺度上維持了極性區(qū)域的連續(xù)性，降低了剩余極化強(qiáng)度（Pr），在保持較高最大極化強(qiáng)度（Pm）的前提下，實現(xiàn)了P-E滯回環(huán)形狀優(yōu)化，從而增強(qiáng)了能量釋放能力（Ue）和效率（η）。
（3）系統(tǒng)性地評估了PM薄膜在不同溫度與電場循環(huán)下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明其在高場強(qiáng)與熱應(yīng)力條件下依然保持優(yōu)異的能量存儲性能，具備良好的應(yīng)用前景。該工作為高性能微型介電電容器的發(fā)展提供了一種普適的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，具有重要的工程和科學(xué)意義。
圖文解讀
圖1. 通過DNP結(jié)構(gòu)提升能量性能的自組裝納米復(fù)合鐵電材料設(shè)計方案。
圖2. 采用DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計的PM薄膜的結(jié)構(gòu)特征與納米疇結(jié)構(gòu)。
圖3. PM薄膜的介電性能、鐵電性能、漏電流密度及擊穿強(qiáng)度。
圖4. PM薄膜的能量存儲性能。
結(jié)論展望
本研究提出的策略結(jié)合了樹枝狀納米極性區(qū)域與寬帶隙絕緣材料，能夠在顯著保持最大極化的同時，最小化滯后損耗并提升擊穿強(qiáng)度。因此，采用DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計的自組裝納米復(fù)合薄膜實現(xiàn)了超高的能量密度、能量效率和穩(wěn)定性，為實現(xiàn)高性能電容能量存儲的薄膜微型電容器提供了有前景的路徑，同時在器件小型化和集成化方面具有顯著優(yōu)勢，適用于如緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）以及片上微型電容器等應(yīng)用場景。此外，該DNP策略也可拓展應(yīng)用于其他具有不同晶體結(jié)構(gòu)的鐵電氧化物與絕緣氧化物的組合中。
原文詳情：
Yajing Liu et al. ,Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design.Science388,211-216(2025).DOI:10.1126/science.adt2703
