清華大學Nat. Mater：高熵增強型電容儲能

一、【導讀】

儲能介質電容器在先進的電子和電力系統中發揮著至關重要的作用。然而，與電池等電化學儲能器件相比，它們的儲能能力相對較小，這是一個長期存在的瓶頸，這阻礙了先進器件的小型化、集成化和成本效益。人們一直在努力開發高能量密度、高效率和可靠的電介質。由于其超快充電/放電速度和高功率密度，靜電介電電容器是高級電子和電力系統中必不可少的組件。但是主要的挑戰是如何改善其能量密度，以實現需要微型化和整合的下一代應用。自2015年首次報道熵穩定氧化物以來，人們一直在嘗試探索高熵氧化物電介質。在一些高熵系統中已經報道了高介電常數、低介電損耗和其他介電相關特性的改進。然而到目前為止，還沒有通過高熵設計顯著提高介電儲能性能。

二、【成果掠影】

近日，清華大學南策文院士、朱靜院士與林元華教授聯合報告了報告了一種高熵穩定的Bi₂Ti₂O₇基介電薄膜，在6.35?MV?cm^-1的電場下，其能量密度高達182?J?cm^-3，效率為78%。研究結果表明，調節原子構型熵會引入有利且穩定的微觀結構特征，包括晶格扭曲的納米晶粒和無序的類非晶相，從而提高擊穿強度并降低極化切換滯后，從而協同促進儲能表現。這種高熵方法有望廣泛應用于高性能電介質的開發。研究成果以題為“High-entropy enhanced capacitive energy storage”發表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心創新點】

1、通過調節原子構型熵，引入有利且穩定的微觀結構特征，利用高熵概念，提高擊穿強度并降低極化轉換滯后，從而協同促進儲能，設計并構筑了具有超高密度的Bi₂Ti₂O₇基介電膜。

2、高熵穩定的Bi₂Ti₂O₇基介電薄膜，在6.35?MV?cm^-1的電場下，其能量密度高達182?J?cm^-3，效率為78%。

四、【數據概覽】

圖一、相和結構變化隨熵增的變化

（a）隨著 x 的增加，薄膜的 X 射線衍射圖案。

（b）沿薄膜（x?=?0.4）的 [001] 區域軸獲得的HAADF、NBD 和 FFT 圖像。

（c）沿[001]軸投影的燒綠石相晶格結構，其中A位被Bi和La占據，B位被Ti、Zr、Hf和Sn占據。

（d）高熵薄膜（x?=?0.4）中元素分布的原子EDS mapping圖像，以及沿[110]帶軸的晶格結構HAADF圖像。

圖二、薄膜介電、漏電流密度和擊穿強度隨熵增的變化規律

（a）在2.5?MV?cm^-1電場下的P-E環。

（b）頻率為1?MHz時，與溫度相關的介電常數和損耗角正切。

（c）外加偏置電場與漏電流密度的函數關系。

（d）薄膜擊穿場的Weibull分布分析。

圖三、高熵薄膜中的晶格畸變、納米晶粒和非晶相

（a-b）在x?=?0.4薄膜中，陽離子位移的大小和方向彩圖，說明了晶格畸變。

（c）x?=?0.4薄膜的低倍率HAADF圖像，顯示納米晶粒（編號1-8）和非晶相（編號9）的共存。

（d）納米晶粒和非晶相的NBD圖案，在（c）中用1-9標記。

（e-f）x?=?0.2、0.4和0.5的晶粒尺寸統計分布以及結晶相和非晶相分數。

圖四、熵調制薄膜的儲能性能

（a）能量密度和效率與電場的函數關系。

（b）本文中的薄膜與報道電介質的能量密度和效率的比較。

（c-d）在2.5?MV?cm^-1的電場下，薄膜的充放電可靠性和儲能特性與溫度的關系。

五、【成果啟示】

綜上所述，本研究展示了一種調控熵策略來顯著增強擊穿電場并減少極化切換滯后。因此，在高熵穩定的Bi₂Ti₂O₇基薄膜中實現了182?J?cm^-3的高能量密度和78%的效率。該工作為實現高性能介電電容器提供了一個廣泛適用的范例，并且也適用于其他研究領域，如電熱學，其中使用了高擊穿場。此外，本研究中進行的微觀測量突出了分析高熵在其他類似材料中的影響的可行途徑。

文獻鏈接：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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