介電儲能器件憑借其功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在可再生能源、電動汽車和高功率系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，已成為國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下新一代儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。但長期以來，介電材料的儲能密度顯著低于鋰電池等主流儲能技術(shù)，成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸所在。

當(dāng)前制約介電儲能器件性能提升的關(guān)鍵科學(xué)問題，在于極化強度與擊穿場強之間存在的“內(nèi)稟倒置關(guān)系”。針對關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊原創(chuàng)性提出了在寬禁帶絕緣介電材料中引入“樹枝狀納米極性（Dendritic Nanopolar, DNP）結(jié)構(gòu)”的設(shè)計策略，成功構(gòu)建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復(fù)合薄膜模型體系，實現(xiàn)了擊穿場強和極化強度的協(xié)同優(yōu)化，最終研制出儲能密度超國際同期水平的介電電容器。

研究團(tuán)隊首先利用相場模擬對DNP結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與預(yù)測。模擬結(jié)果顯示，在組分優(yōu)化后，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分支狀納米極性復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠顯著抑制界面處的局域場集中效應(yīng)并增加擊穿路徑的曲折度，從而大幅提升復(fù)合結(jié)構(gòu)的擊穿場強。同時，DNP復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在更加無序的鐵電R相和T相納米疇混合，能夠賦予該結(jié)構(gòu)優(yōu)異的儲能性能。

研究團(tuán)隊基于自組裝納米復(fù)合薄膜的構(gòu)建方法，在寬禁帶絕緣體MgO中引入樹枝狀PZT鐵電相。多尺度結(jié)構(gòu)表征證實了DNP結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的成功制備：原子分辨STEM成像顯示出PZT與MgO之間清晰可辨的界面；原子位移映射和極化矢量可視化分析更是清楚呈現(xiàn)了PZT區(qū)域內(nèi)部明顯的納米極性疇結(jié)構(gòu)。這些微觀特征共同賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的宏觀儲能性能。

研究團(tuán)隊構(gòu)建的DNP結(jié)構(gòu)PZT-MgO復(fù)合薄膜電容器表現(xiàn)出突破性的儲能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復(fù)合薄膜中，實現(xiàn)了擊穿場強與極化強度的協(xié)同提升：在7.4 MV/cm的超高電場下，其儲能密度高達(dá)215.8 J/cm3，刷新了當(dāng)前介電儲能領(lǐng)域的國際最高紀(jì)錄。該器件同時具備80.7%的儲能效率，兼具高能量輸出與低能量損耗。此外，在-100 ℃–170 ℃寬溫區(qū)范圍及1010次疲勞循環(huán)測試下，器件性能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。

在這項高水平成果的背后，是一支高度融合、協(xié)同攻關(guān)的卓越科研團(tuán)隊。在南策文院士的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊緊密協(xié)作，充分整合了物理、材料、集成電路等實驗與理論多方面的技術(shù)力量。正是這種跨學(xué)院、跨學(xué)科、跨學(xué)校、跨國界的通力協(xié)作，構(gòu)筑了本成果從偶然發(fā)現(xiàn)到理論突破、從基礎(chǔ)創(chuàng)新到器件性能躍升的全鏈條科研閉環(huán)。