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近日，南昌航空大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院（航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院）謝兵牽頭，聯(lián)合北京科技大學(xué)、香港城市大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)等單位研究人員，在無鉛介質(zhì)陶瓷儲(chǔ)能領(lǐng)域取得重大突破。團(tuán)隊(duì)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的新型無鉛儲(chǔ)能陶瓷，其綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果為下一代高功率脈沖儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了變革性材料解決方案，尤其對(duì)航空航天飛行器高能效動(dòng)力系統(tǒng)、新能源汽車快充快放等尖端領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。該研究成果發(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)、eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）在起降、機(jī)動(dòng)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在瞬間爆發(fā)巨大功率，對(duì)機(jī)載儲(chǔ)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(shù)、再生制動(dòng)能量回收，同樣依賴于能夠承受巨大瞬時(shí)電流、高效儲(chǔ)釋能量的電容器。

傳統(tǒng)介電陶瓷儲(chǔ)能材料長(zhǎng)期面臨一個(gè)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(chǔ)能”與“高效率”的無鉛環(huán)保電介質(zhì)，是業(yè)界公認(rèn)的“卡脖子”技術(shù)難題。

謝兵團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，提出了“主動(dòng)構(gòu)建超弛豫臨界態(tài)”的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)策略。該策略旨在在材料中創(chuàng)造一種特殊的極化狀態(tài)，它恰好處于高度動(dòng)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(duì)以該校能源動(dòng)力學(xué)科為依托，通過精準(zhǔn)的成分設(shè)計(jì)，借助先進(jìn)的相場(chǎng)模擬與第一性原理計(jì)算進(jìn)行前瞻性指導(dǎo)，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(dú)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(shí)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（高能量密度），又能保證其幾乎無阻礙地高速通過（高效率）。

實(shí)驗(yàn)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—100Hz寬頻域、30—150°C溫度范圍以及超過一億次的充放電循環(huán)中，性能衰減極小?；谠摬牧系慕殡婋娙萜?，可為eVTOL飛行器提供瞬時(shí)強(qiáng)勁的起飛動(dòng)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(shí)功率緩沖，提升加速性能與制動(dòng)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。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化與產(chǎn)業(yè)界的合作，推動(dòng)該技術(shù)的工程化應(yīng)用，致力于將實(shí)驗(yàn)室的突破轉(zhuǎn)化為支撐我國(guó)高端裝備自主化發(fā)展的核心元器件，為國(guó)家重大戰(zhàn)略需求貢獻(xiàn)智慧和力量。

（受訪者供圖）