中國儲能網(wǎng)訊：南昌航空大學動力與能源學院（航空發(fā)動機學院）特聘教授謝兵牽頭，聯(lián)合國內(nèi)外科研團隊，在無鉛介質(zhì)陶瓷儲能領域取得突破。團隊創(chuàng)新性提出并成功構建了“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域具有廣闊應用前景。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域，高功率密度、快速響應、高效可靠的脈沖功率系統(tǒng)是提升裝備性能的關鍵。例如，先進無人機、電動垂直起降飛行器在起降、機動時，電機驅(qū)動系統(tǒng)需要在瞬間爆發(fā)巨大功率，對機載儲能裝置的快充快放能力和功率密度提出了極致要求。新能源汽車的快充技術、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)界公認的技術難題。
謝兵團隊獨辟蹊徑，提出“主動構建超弛豫臨界態(tài)”的原創(chuàng)性設計策略。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)”與極化強度大但響應滯后的“弛豫態(tài)”之間的臨界區(qū)域。研究團隊成功將材料的介電響應峰值調(diào)節(jié)至室溫附近，誘導形成了獨特的納米結構：材料內(nèi)部充滿了尺寸僅3—5納米、極化強度高但彼此關聯(lián)微弱的“極性納米島”，均勻分散于非極性基體中。
這種“弱關聯(lián)、強極化”的微觀構象，正是實現(xiàn)“超弛豫臨界態(tài)”的物理基礎，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。
實驗結果表明，該介質(zhì)陶瓷展現(xiàn)出工程應用必備的優(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苛的工況要求。
