科學背景
電能存儲技術對先進電子和電氣系統至關重要，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定性成為能量存儲的有力候選者。與傳統的化學電池相比，電介質電容器在功率密度方面具有顯著優勢，尤其適用于高頻、高功率密集型設備。然而，低擊穿強度和抑制極化導致的低能量密度仍然是實際應用中的一個艱巨挑戰。此外，如何在高電場下實現高極化率與高擊穿強度的兼得，也一直是該領域面臨的核心挑戰。
創新成果
基于以上難題，南京航空航天大學李偉偉教授、楊浩教授與德國馬普所王紅光教授、清華大學南策文院士等人聯合在Science上發表了題為“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”的論文，提出了一種微觀結構策略，利用自組裝的樹枝狀納米極化（DNP）結構，并將其引入到寬禁帶絕緣材料中，同時提高了擊穿強度和高場極化率，最大限度地減少了能量損失，從而顯著提高了儲能性能和穩定性。
同時，DNP結構保留了極化區域的連接性，實現在高電場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結構設計的PbZr0.53Ti0.47O3-MgO薄膜在7.4 MV/cm的高電場下實現了215.8 J/cm3的高能量密度和80.7%的充放電效率。本研究為設計高性能微型電容器提供了新路徑，也對未來新型電介質材料的開發具有重要指導意義。
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