清华大学Nat. Mater：高熵增强型电容储能

一、【导读】

储能介质电容器在先进的电子和电力系统中发挥着至关重要的作用。然而，与电池等电化学储能器件相比，它们的储能能力相对较小，这是一个长期存在的瓶颈，这阻碍了先进器件的小型化、集成化和成本效益。人们一直在努力开发高能量密度、高效率和可靠的电介质。由于其超快充电/放电速度和高功率密度，静电介电电容器是高级电子和电力系统中必不可少的组件。但是主要的挑战是如何改善其能量密度，以实现需要微型化和整合的下一代应用。自2015年首次报道熵稳定氧化物以来，人们一直在尝试探索高熵氧化物电介质。在一些高熵系统中已经报道了高介电常数、低介电损耗和其他介电相关特性的改进。然而到目前为止，还没有通过高熵设计显著提高介电储能性能。

二、【成果掠影】

近日，清华大学南策文院士、朱静院士与林元华教授联合报告了报告了一种高熵稳定的Bi₂Ti₂O₇基介电薄膜，在6.35 MV cm^-1的电场下，其能量密度高达182 J cm^-3，效率为78%。研究结果表明，调节原子构型熵会引入有利且稳定的微观结构特征，包括晶格扭曲的纳米晶粒和无序的类非晶相，从而提高击穿强度并降低极化切换滞后，从而协同促进储能表现。这种高熵方法有望广泛应用于高性能电介质的开发。研究成果以题为“High-entropy enhanced capacitive energy storage”发表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心创新点】

1、通过调节原子构型熵，引入有利且稳定的微观结构特征，利用高熵概念，提高击穿强度并降低极化转换滞后，从而协同促进储能，设计并构筑了具有超高密度的Bi₂Ti₂O₇基介电膜。

2、高熵稳定的Bi₂Ti₂O₇基介电薄膜，在6.35 MV cm^-1的电场下，其能量密度高达182 J cm^-3，效率为78%。

四、【数据概览】

图一、相和结构变化随熵增的变化

（a）随着 x 的增加，薄膜的 X 射线衍射图案。

（b）沿薄膜（x = 0.4）的 [001] 区域轴获得的HAADF、NBD 和 FFT 图像。

（c）沿[001]轴投影的烧绿石相晶格结构，其中A位被Bi和La占据，B位被Ti、Zr、Hf和Sn占据。

（d）高熵薄膜（x = 0.4）中元素分布的原子EDS mapping图像，以及沿[110]带轴的晶格结构HAADF图像。

图二、薄膜介电、漏电流密度和击穿强度随熵增的变化规律

（a）在2.5 MV cm^-1电场下的P-E环。

（b）频率为1 MHz时，与温度相关的介电常数和损耗角正切。

（c）外加偏置电场与漏电流密度的函数关系。

（d）薄膜击穿场的Weibull分布分析。

图三、高熵薄膜中的晶格畸变、纳米晶粒和非晶相

（a-b）在x = 0.4薄膜中，阳离子位移的大小和方向彩图，说明了晶格畸变。

（c）x = 0.4薄膜的低倍率HAADF图像，显示纳米晶粒（编号1-8）和非晶相（编号9）的共存。

（d）纳米晶粒和非晶相的NBD图案，在（c）中用1-9标记。

（e-f）x = 0.2、0.4和0.5的晶粒尺寸统计分布以及结晶相和非晶相分数。

图四、熵调制薄膜的储能性能

（a）能量密度和效率与电场的函数关系。

（b）本文中的薄膜与报道电介质的能量密度和效率的比较。

（c-d）在2.5 MV cm^-1的电场下，薄膜的充放电可靠性和储能特性与温度的关系。

五、【成果启示】

综上所述，本研究展示了一种调控熵策略来显著增强击穿电场并减少极化切换滞后。因此，在高熵稳定的Bi₂Ti₂O₇基薄膜中实现了182 J cm^-3的高能量密度和78%的效率。该工作为实现高性能介电电容器提供了一个广泛适用的范例，并且也适用于其他研究领域，如电热学，其中使用了高击穿场。此外，本研究中进行的微观测量突出了分析高熵在其他类似材料中的影响的可行途径。

文献链接：High-entropy enhanced capacitive energy storage (Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01274-6)

本文由大兵哥供稿。

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