新型無鉛儲能陶瓷研制成功

南昌航空大學(xué)動力與能源學(xué)院（航空發(fā)動機(jī)學(xué)院）特聘教授謝兵牽頭，聯(lián)合國內(nèi)外科研團(tuán)隊，在無鉛介質(zhì)陶瓷儲能領(lǐng)域取得突破。團(tuán)隊創(chuàng)新性提出并成功構(gòu)建了“超弛豫臨界態(tài)”，研制出兼具超高能量密度與高效率特性的新型無鉛儲能陶瓷。該成果為下一代高功率脈沖儲能系統(tǒng)提供了變革性材料解決方案，在航空航天飛行器高能效動力系統(tǒng)、新能源汽車快充快放等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。

在航空航天與新能源交通領(lǐng)域，高功率密度、快速響應(yīng)、高效可靠的脈沖功率系統(tǒng)是提升裝備性能的關(guān)鍵。例如，先進(jìn)無人機(jī)、電動垂直起降飛行器在起降、機(jī)動時，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)需要在瞬間爆發(fā)巨大功率，對機(jī)載儲能裝置的快充快放能力和功率密度提出了*要求。新能源汽車的快充技術(shù)、再生制動能量回收，同樣依賴于能夠承受巨大瞬時電流、高效儲釋能量的電容器。

傳統(tǒng)介電陶瓷儲能材料長期面臨一個根本性矛盾：提升能量密度往往伴隨效率下降，巨大能量在頻繁充放中轉(zhuǎn)化為熱損耗，限制了系統(tǒng)功率上限并帶來熱管理難題。開發(fā)兼具高儲能與高效率特點的無鉛環(huán)保電介質(zhì)，是業(yè)界公認(rèn)的技術(shù)難題。

謝兵團(tuán)隊獨辟蹊徑，提出“主動構(gòu)建超弛豫臨界態(tài)”的原創(chuàng)性設(shè)計策略。該策略要在材料中創(chuàng)造一種特殊的極化狀態(tài)，它恰好處于高度動態(tài)、低損耗的“超順電態(tài)”與極化強(qiáng)度大但響應(yīng)滯后的“弛豫態(tài)”之間的臨界區(qū)域。研究團(tuán)隊成功將材料的介電響應(yīng)峰值調(diào)節(jié)至室溫附近，誘導(dǎo)形成了獨特的納米結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部充滿了尺寸僅3—5納米、極化強(qiáng)度高但彼此關(guān)聯(lián)微弱的“極性納米島”，均勻分散于非極性基體中。

這種“弱關(guān)聯(lián)、強(qiáng)極化”的微觀構(gòu)象，正是實現(xiàn)“超弛豫臨界態(tài)”的物理基礎(chǔ)，它如同為電荷的快速通行搭建了一座“立交橋”，既能容納巨量電荷，實現(xiàn)高能量密度，又能保證其幾乎無阻礙地高速通過，實現(xiàn)高效率。

實驗結(jié)果表明，該介質(zhì)陶瓷展現(xiàn)出工程應(yīng)用必備的優(yōu)異穩(wěn)定性：在1—100赫茲寬頻域、30—150℃溫度范圍以及超過1億次的充放電循環(huán)中，性能衰減極小。基于該材料的介電電容器，可為電動垂直起降飛行器提供瞬時強(qiáng)勁的起飛動力脈沖，支持更高頻次的起降循環(huán)；可為新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)提供高效的瞬時功率緩沖，提升加速性能與制動能量回收效率；其高可靠性也完全符合航空航天嚴(yán)苛的工況要求。