南策文&林元华&金奎娟Science:超顺电弛豫铁电体中的超高能量存储

【引言】

相比电化学储能技术，基于介质电容器的静电储能是实现快速充放电（微秒级）和超高功率密度的策略之一。基于电介质的静电储能技术是先进电子和大功率电气系统的基础。最近，以纳米为特征的弛豫铁电体（RFE）设计作为具有高能量密度和高效率的电介质显示出巨大的前景。因此，介电电容器在电子设备和电力系统中扮演着越来越重要的角色。然而，介电电容器相对较低的储能密度阻碍了其更广泛的应用，因此需要器件小型化，系统紧凑化和降低成本。因此，广泛的努力集中在开发具有更高能量密度的可靠且高效的电介质上。

今日，清华大学南策文院士，林元华教授和中国科学院物理所金奎娟教授（共同通讯作者）展示了通过超顺电态（SPE）设计可大幅度提高弛豫铁电薄膜的能量存储性能。究其原因，薄膜纳米域按比例缩小为几个单元的极性簇，因此几乎消除了极化切换滞后，同时保持了相对较高的极化。具体而言，作者制备了一系列钐（Sm）掺杂的yBiFeO₃-(1-y)BaTiO₃（Sm-BFBT；y=0.1 到0.9）弛豫铁电薄膜，Sm掺杂剂可以有效地增加局部异质性。同时，模拟了与温度相关的介电常数、域结构等。在30%超顺电Sm掺杂铁酸铋-钛酸钡薄膜中实现了每立方厘米152焦耳的超高能量储存密度，并显著提高了储能效率（在3.5兆伏/厘米的电场下超过了90%）。更加重要的是，充放电的可靠性和在宽温度范围内的性能稳定性也充分证明了弛豫铁电薄膜出色性能。相关研究成果以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”为题发表在Science上。

【图文导读】

图一、用于高性能介电储能的RFE中SPE设计的相场模拟

图二、Sm-BFBT薄膜的介电，极化和储能特性

图三、SPE的微观结构起源

图四、Sm-BFBT SPE薄膜的储能性能

【小结】

综上所述，本文基于对弛豫铁电薄膜材料的稳定超顺电态设计，介质电容器性能的可靠性和稳定性得到大幅度提升。其特征是纳米域尺寸减小到几个单元电池的极性簇，已被证明可以显著提高整体介电储能性能。该策略对具有各种成分和结构的基于RFE的储能电介质具有广泛的适用性。此外，SPE设计还可用于优化其他需要最小滞后的基于RFE的功能。

文献链接：“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”(Science，2021，10.1126/science.abi7687)

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