新型无铅储能陶瓷研制成功

来源：科技日报

南昌航空大学动力与能源学院（航空发动机学院）特聘教授谢兵牵头，联合国内外科研团队，在无铅介质陶瓷储能领域取得突破。团队创新性提出并成功构建了“超弛豫临界态”，研制出兼具超高能量密度与高效率特性的新型无铅储能陶瓷。该成果为下一代高功率脉冲储能系统提供了变革性材料解决方案，在航空航天飞行器高能效动力系统、新能源汽车快充快放等领域具有广阔应用前景。研究成果日前发表于《自然·通讯》。

在航空航天与新能源交通领域，高功率密度、快速响应、高效可靠的脉冲功率系统是提升装备性能的关键。例如，先进无人机、电动垂直起降飞行器在起降、机动时，电机驱动系统需要在瞬间爆发巨大功率，对机载储能装置的快充快放能力和功率密度提出了极致要求。新能源汽车的快充技术、再生制动能量回收，同样依赖于能够承受巨大瞬时电流、高效储释能量的电容器。

传统介电陶瓷储能材料长期面临一个根本性矛盾：提升能量密度往往伴随效率下降，巨大能量在频繁充放中转化为热损耗，限制了系统功率上限并带来热管理难题。开发兼具高储能与高效率特点的无铅环保电介质，是业界公认的技术难题。

谢兵团队独辟蹊径，提出“主动构建超弛豫临界态”的原创性设计策略。该策略要在材料中创造一种特殊的极化状态，它恰好处于高度动态、低损耗的“超顺电态”与极化强度大但响应滞后的“弛豫态”之间的临界区域。研究团队成功将材料的介电响应峰值调节至室温附近，诱导形成了独特的纳米结构：材料内部充满了尺寸仅3—5纳米、极化强度高但彼此关联微弱的“极性纳米岛”，均匀分散于非极性基体中。

这种“弱关联、强极化”的微观构象，正是实现“超弛豫临界态”的物理基础，它如同为电荷的快速通行搭建了一座“立交桥”，既能容纳巨量电荷，实现高能量密度，又能保证其几乎无阻碍地高速通过，实现高效率。

实验结果表明，该介质陶瓷展现出工程应用必备的优异稳定性：在1—100赫兹宽频域、30—150℃温度范围以及超过1亿次的充放电循环中，性能衰减极小。基于该材料的介电电容器，可为电动垂直起降飞行器提供瞬时强劲的起飞动力脉冲，支持更高频次的起降循环；可为新能源汽车电驱系统提供高效的瞬时功率缓冲，提升加速性能与制动能量回收效率；其高可靠性也完全符合航空航天严苛的工况要求。