清華新聞網(wǎng)10月7日電 近日，材料學(xué)院南策文院士、林元華教授研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)鉛儲(chǔ)能介電材料研究中取得重要進(jìn)展，通過(guò)對(duì)弛豫鐵電薄膜材料的穩(wěn)定的超順電設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了介電儲(chǔ)能性能的顯著提升，達(dá)到152J/cm3的超高儲(chǔ)能密度。該成果可為下一代高端儲(chǔ)能電容器提供關(guān)鍵材料和技術(shù)，也為介電新材料開(kāi)發(fā)和其他基于弛豫鐵電的功能優(yōu)化提供了新的途徑。
介電儲(chǔ)能電容具有充放電速度快、功率密度高、耐壓能力強(qiáng)等特性，在能源電力、電子電路系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。但介電電容的能量密度相對(duì)較低，開(kāi)發(fā)具有高儲(chǔ)能密度、高效率的介電材料，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件小型化、集成化的核心，也是當(dāng)前材料科學(xué)研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)前期研究成果表明，具有納米鐵電疇結(jié)構(gòu)的弛豫鐵電薄膜是目前最有潛力的材料體系之一，已實(shí)現(xiàn)~100J/cm3的儲(chǔ)能密度和60~80%的儲(chǔ)能效率。然而，電疇翻轉(zhuǎn)能壘引起的損耗，限制了相關(guān)儲(chǔ)能性能的進(jìn)一步提升。
在這一工作中，團(tuán)隊(duì)提出超順電態(tài)設(shè)計(jì)以抑制介電損耗、提升儲(chǔ)能性能。與典型鐵電材料（在相變溫度以上電疇直接消失）不同，弛豫鐵電體具有彌散的相變過(guò)程，在“平均相變溫度”（對(duì)應(yīng)介電常數(shù)最大值）以上很寬的溫區(qū)內(nèi)仍可以保持一定的極性電疇結(jié)構(gòu)。在這一溫區(qū)（即超順電態(tài)）中，電疇體積相對(duì)于低溫態(tài)進(jìn)一步減小、耦合減弱，其翻轉(zhuǎn)能壘可降至與熱擾動(dòng)同一量級(jí)，電疇因此可以更容易地發(fā)生極化翻轉(zhuǎn)，從而顯著抑制損耗。采用相場(chǎng)計(jì)算對(duì)多種弛豫鐵電成分的模擬結(jié)果表明，在超順電態(tài)溫區(qū)中儲(chǔ)能密度和效率可以實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化（圖1）。
圖1.弛豫鐵電中超順電態(tài)設(shè)計(jì)及其介電、極化、儲(chǔ)能性質(zhì)的相場(chǎng)模擬
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一系列Sm摻雜BiFeO3-BaTiO3（Sm-BFBT）的弛豫鐵電薄膜(厚度約0.6μm)，通過(guò)Sm離子引入的局域化學(xué)、結(jié)構(gòu)和電學(xué)異質(zhì)性，降低相變溫度，獲得滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的室溫超順電態(tài)（圖2）。寬溫區(qū)二階非線(xiàn)性光學(xué)（SHG）探測(cè)和高分辨掃描透射電子顯微鏡（STEM）等手段證明了室溫超順電薄膜中仍保持若干個(gè)晶胞大小的極性電疇結(jié)構(gòu)和疇間耦合（圖3）。由此，在成分優(yōu)化的室溫超順電薄膜中獲得損耗的顯著抑制，并保持了較高的極化，從而實(shí)現(xiàn)了152 J/cm3的高儲(chǔ)能密度和優(yōu)異的儲(chǔ)能效率（>90% @3.5 MV/cm; >77% @ 5.2 MV/cm）。同時(shí)，薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電循環(huán)可靠性（一億次循環(huán)后性能衰減小于5%），在-100－150oC溫度范圍內(nèi)亦保持性能穩(wěn)定。
圖2.Sm-BFBT超順電薄膜的介電、極化和儲(chǔ)能性能
圖3. SHG和STEM手段探究超順電的微觀(guān)結(jié)構(gòu)機(jī)理
相關(guān)成果以“超順電態(tài)弛豫鐵電中的超高儲(chǔ)能密度”（Ultrahigh energy storage insuperparaelectricrelaxorferroelectrics）為題，于10月1日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際著名期刊《科學(xué)》（Science）上。材料學(xué)院已畢業(yè)博士生潘豪和2017級(jí)博士生藍(lán)順為文章共同第一作者，林元華教授、南策文院士及中科院物理所金奎娟研究員為文章共同通訊作者。論文重要合作者包括北京理工大學(xué)黃厚兵研究員、賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授，中科院物理所谷林研究員、張慶華研究員、郭爾佳研究員，劍橋大學(xué)朱迪絲·麥克馬努斯-德里斯科爾（Judith L. MacManus-Driscoll）教授，南洋理工大學(xué)王驍助理教授，清華材料學(xué)院易迪助理教授、孟繁琦博士、劉亦謙博士等相關(guān)人員。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目等的資助。
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：曲田
