构建“超弛豫临界态” 我国团队突破无铅介质陶瓷高效脉冲储能关键技术

　　科技日报记者 魏依晨

　　近日，南昌航空大学动力与能源学院(航空发动机学院)谢兵牵头，联合北京科技大学、香港城市大学、澳大利亚伍伦贡大学等单位研究人员，在无铅介质陶瓷储能领域取得重大突破。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的新型无铅储能陶瓷，其综合性能达到国际领先水平。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，尤其对航空航天飞行器高能效动力系统、新能源汽车快充快放等尖端领域具有重大应用前景。该研究成果发表于《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、eVTOL(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”的无铅环保电介质，是业界公认的“卡脖子”技术难题。

　　谢兵团队独辟蹊径，提出了“主动构建超弛豫临界态”的原创性设计策略。该策略旨在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。研究团队以该校能源动力学科为依托，通过精准的成分设计，借助先进的相场模拟与第一性原理计算进行前瞻性指导，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(高能量密度)，又能保证其几乎无阻碍地高速通过(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—100Hz宽频域、30—150°C温度范围以及超过一亿次的充放电循环中，性能衰减极小。基于该材料的介电电容器，可为eVTOL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。

　　未来，研究团队将继续深化与产业界的合作，推动该技术的工程化应用，致力于将实验室的突破转化为支撑我国高端装备自主化发展的核心元器件，为国家重大战略需求贡献智慧和力量。

　　(受访者供图)

　　来源：科技日报