清華新聞網(wǎng)6月8日電 電介質(zhì)電容器具有快的充放電速率和高可靠性，在現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，也成為了高功率脈沖技術(shù)中不可替代的基礎(chǔ)元器件。但是，隨著儲(chǔ)能器件小型化、集成化的發(fā)展，介電電容器相對(duì)較低的能量密度已成為目前亟待解決的主要問(wèn)題，也是當(dāng)今材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
清華大學(xué)材料學(xué)院林元華教授等人通過(guò)在介電材料中引入熵的調(diào)控策略，利用熵穩(wěn)定效應(yīng)獲得了熱力學(xué)上不穩(wěn)定的Bi2Ti2O7基燒綠石相材料（圖1），其顯示了大的晶格畸變。該材料是一類(lèi)具有超低介電損耗和較高介電常數(shù)的線(xiàn)性介質(zhì)材料，有益于獲得高儲(chǔ)能特性。
圖1.高熵的畸變燒綠石相結(jié)構(gòu)
通過(guò)高熵的調(diào)控（多元素在等效晶格位上無(wú)序共存，如圖1d所示），降低了穩(wěn)定的燒綠石相的漏導(dǎo)與損耗、同時(shí)提升了其擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使其在高電場(chǎng)下可以有效降低滯回?fù)p耗，從而提升了儲(chǔ)能效率（圖2）。利用先進(jìn)電子顯微學(xué)方法對(duì)此高熵材料的顯微結(jié)構(gòu)與性能改善的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)此材料由納米晶和少量均勻分布非晶構(gòu)成。隨著熵的增加，納米晶的晶粒尺寸逐漸減小，非晶相比例逐漸提升（圖3）。小的納米晶粒尺寸和非晶相的增加有利于材料絕緣性能的提升，且這類(lèi)納米晶和少量均勻分布非晶也使此材料可以保持較高的極化。最終，團(tuán)隊(duì)在x=0.4的高熵薄膜(~0.6 微米厚)中，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的182 J cm-3的儲(chǔ)能密度和78%的效率，并具有極好的循環(huán)和溫度穩(wěn)定性（圖4）。這種高熵的設(shè)計(jì)思路有望被廣泛的用于提升介電材料儲(chǔ)能特性。
圖2. 極化、介電、漏導(dǎo)和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨著熵的演變
圖3. 最佳成分材料中的納米晶和非晶結(jié)構(gòu)及不同熵值下的納米晶尺寸和納米晶/非晶比例
圖4. 高熵薄膜的能量存儲(chǔ)和穩(wěn)定性表現(xiàn)
相關(guān)成果以“高熵提升介電能量存儲(chǔ)”（High-entropy enhanced capacitive energy storage）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·材料》（Nature Materials）上。
清華大學(xué)材料學(xué)院博士后楊兵兵、清華大學(xué)水木學(xué)者張揚(yáng)博士和材料學(xué)院已畢業(yè)博士生潘豪（現(xiàn)為加州大學(xué)伯克利分校博士后）為文章的共同第一作者。清華大學(xué)林元華教授、南策文院士和朱靜院士為文章的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學(xué)材料學(xué)院司文龍博士、谷林研究員、孟繁琦博士后，中科院物理所張慶華副研究員，賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授，武漢理工大學(xué)沈忠慧副教授，澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授，南方科技大學(xué)何佳清教授、于勇博士，北京理工大學(xué)黃厚兵副教授等。本工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然基金委科學(xué)中心等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01274-6
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
