新型器件刷新介電儲(chǔ)能密度國際最高紀(jì)錄。
從南京航空航天大學(xué)獲悉，該校科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)袂中外學(xué)者創(chuàng)新研發(fā)出儲(chǔ)能密度較高的新型納米復(fù)合薄膜儲(chǔ)能器件，儲(chǔ)能密度可達(dá)215.8焦/立方厘米。相關(guān)成果4月11日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
論文第一作者、南京航空航天大學(xué)博士后劉亞靜介紹，目前廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能器件包括鋰電池、超級(jí)電容器、介電儲(chǔ)能器件等。其中介電儲(chǔ)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(diǎn)，適用于可以瞬時(shí)釋放高電能的使用場(chǎng)景。在起搏器、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)、可再生能源等領(lǐng)域，介電儲(chǔ)能器件展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
“但長期以來，介電材料的儲(chǔ)能密度顯著低于鋰電池等主流儲(chǔ)能技術(shù)，成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸所在。”劉亞靜介紹，“為介電儲(chǔ)能器件施加電場(chǎng)過強(qiáng)時(shí)，器件材料的絕緣性被破壞，電子會(huì)像‘失控’一樣大量流動(dòng)，瞬間形成導(dǎo)電通路，導(dǎo)致電流劇增，可能引發(fā)短路或器件損壞，所以，研發(fā)能耐受電擊穿的介電儲(chǔ)能器件至關(guān)重要。”
在此次研究中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在寬禁帶絕緣介電材料中采用“樹枝狀納米極性結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)策略，構(gòu)建了納米復(fù)合薄膜模型體系。
“在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，寬禁帶絕緣介電材料的帶隙比傳統(tǒng)材料更寬，因此更耐高壓、高溫，儲(chǔ)能性能也更強(qiáng)。而樹枝狀的結(jié)構(gòu)，又可以阻擋電擊穿過程中電束的擊穿路徑，所以器件更耐高壓。”劉亞靜介紹。
科研團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，他們構(gòu)建的長寬為5毫米、厚為100納米的介電儲(chǔ)能器件，在7.4兆瓦/厘米的電場(chǎng)下，儲(chǔ)能密度可達(dá)215.8焦/立方厘米，這刷新了介電儲(chǔ)能領(lǐng)域國際最高紀(jì)錄。同時(shí)，該器件具備80.7%的儲(chǔ)能效率，在-100℃至170 ℃寬溫區(qū)范圍及1010次疲勞循環(huán)測(cè)試下，仍保持穩(wěn)定性能。
“此次研究為高性能儲(chǔ)能器件開發(fā)提供了創(chuàng)新性策略。”劉亞靜表示，未來，研究團(tuán)隊(duì)也將研制尺寸更大的硅基介電儲(chǔ)能器件，為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供理論支撐。
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