院士领衔，南京航空航天大学最新Science！

一、【科学背景】

电能存储技术对先进电子和电气系统至关重要，其中基于介电材料的静电电容器凭借其超快充放电能力和稳定性成为能量存储的有力候选者。与传统的化学电池相比，电介质电容器在功率密度方面具有显著优势，尤其适用于高频、高功率密集型设备。然而，低击穿强度和抑制极化导致的低能量密度仍然是实际应用中的一个艰巨挑战。此外，如何在高电场下实现高极化率与高击穿强度的兼得，也一直是该领域面临的核心挑战。

二、【创新成果】

基于以上难题，南京航空航天大学李伟伟教授、杨浩教授与德国马普所王红光教授、清华大学南策文院士等人联合在Science上发表了题为“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”的论文，提出了一种微观结构策略，利用自组装的树枝状纳米极化（DNP）结构，并将其引入到宽禁带绝缘材料中，同时提高了击穿强度和高场极化率，最大限度地减少了能量损失，从而显著提高了储能性能和稳定性。同时，DNP结构保留了极化区域的连接性，实现在高电场下的大极化率与低剩余极化的平衡，降低了能量损耗。研究表明，基于DNP结构设计的PbZr_0.53Ti_0.47O₃-MgO薄膜在7.4 MV/cm的高电场下实现了215.8 J/cm³的高能量密度和80.7%的充放电效率。本研究为设计高性能微型电容器提供了新路径，也对未来新型电介质材料的开发具有重要指导意义。

三、【图文解析】

图1  通过DNP结构设计具有增强能量性能的自组装纳米复合材料FEs © 2025 AAAS

图2  DNP结构设计的PM薄膜的建筑特征和纳米域 © 2025 AAAS

图3  PM薄膜的介电常数、铁电性、漏电流密度和击穿强度 © 2025 AAAS

图4  PM薄膜储能性能 © 2025 AAAS

四、【科学启迪】

综上，本研究将树枝状纳米极性区域与宽带隙绝缘材料相结合，已被证明能够在很大程度上保持最大极化，将滞后损耗降至最低，并增强击穿强度。基于这种树枝状纳米极性结构设计的自组装纳米复合薄膜中，实现了超高能量密度、效率和稳定性，为具有高性能电容能量存储的薄膜微电容器提供了一条有前景的途径，并在设备微型化和集成化方面具有优势，例如在物联网小型设备、纳米机电系统和片上微电容器等应用中。这项研究通过创新的微结构设计，突破了传统介电材料在能量密度和效率方面的限制，为开发下一代高性能介电储能材料提供了重要的理论和实验基础。

原文详情：Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design (Science 2025, 388, 211-216)

本文由赛恩斯供稿。