南策文&林元華&金奎娟Science:超順電弛豫鐵電體中的超高能量存儲

【引言】

相比電化學儲能技術，基于介質電容器的靜電儲能是實現快速充放電（微秒級）和超高功率密度的策略之一。基于電介質的靜電儲能技術是先進電子和大功率電氣系統的基礎。最近，以納米為特征的弛豫鐵電體（RFE）設計作為具有高能量密度和高效率的電介質顯示出巨大的前景。因此，介電電容器在電子設備和電力系統中扮演著越來越重要的角色。然而，介電電容器相對較低的儲能密度阻礙了其更廣泛的應用，因此需要器件小型化，系統緊湊化和降低成本。因此，廣泛的努力集中在開發具有更高能量密度的可靠且高效的電介質上。

今日，清華大學南策文院士，林元華教授和中國科學院物理所金奎娟教授（共同通訊作者）展示了通過超順電態（SPE）設計可大幅度提高弛豫鐵電薄膜的能量存儲性能。究其原因，薄膜納米域按比例縮小為幾個單元的極性簇，因此幾乎消除了極化切換滯后，同時保持了相對較高的極化。具體而言，作者制備了一系列釤（Sm）摻雜的yBiFeO₃-(1-y)BaTiO₃（Sm-BFBT；y=0.1 到0.9）弛豫鐵電薄膜，Sm摻雜劑可以有效地增加局部異質性。同時，模擬了與溫度相關的介電常數、域結構等。在30%超順電Sm摻雜鐵酸鉍-鈦酸鋇薄膜中實現了每立方厘米152焦耳的超高能量儲存密度，并顯著提高了儲能效率（在3.5兆伏/厘米的電場下超過了90%）。更加重要的是，充放電的可靠性和在寬溫度范圍內的性能穩定性也充分證明了弛豫鐵電薄膜出色性能。相關研究成果以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”為題發表在Science上。

【圖文導讀】

圖一、用于高性能介電儲能的RFE中SPE設計的相場模擬

圖二、Sm-BFBT薄膜的介電，極化和儲能特性

圖三、SPE的微觀結構起源

圖四、Sm-BFBT SPE薄膜的儲能性能

【小結】

綜上所述，本文基于對弛豫鐵電薄膜材料的穩定超順電態設計，介質電容器性能的可靠性和穩定性得到大幅度提升。其特征是納米域尺寸減小到幾個單元電池的極性簇，已被證明可以顯著提高整體介電儲能性能。該策略對具有各種成分和結構的基于RFE的儲能電介質具有廣泛的適用性。此外，SPE設計還可用于優化其他需要最小滯后的基于RFE的功能。

文獻鏈接：“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”(Science，2021，10.1126/science.abi7687)

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