介電儲能技術具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩定性好等優點，是以在可再生能源、電動汽車等領域具有廣泛的應用前景。雖然介電儲能技術具有高功率密度，但其儲能密度遠不及電池類主流儲能技術，是以，研發高儲能密度介電材料成為能源材料領域競争激烈的研究前沿。
在介電材料中，弛豫鐵電體因其獨特的極性納米疇結構具有高介電儲能性能，但是在介電材料中普遍存在的極化強度與擊穿場強的沖突關系依然制約其儲能密度的進一步突破。清華大學材料學院李敬鋒教授課題組合作提出在弛豫鐵電薄膜中引入“極性雪泥态區塊化”政策，利用溶膠凝膠法制備出儲能密度高達 202 J/cm3的弛豫鐵電體薄膜。該研究成果于2024年7月12日線上發表在Science上。
該政策通過在弛豫鐵電體中實作高度局域化的強極性态來突破儲能密度。首先，通過建構混沌的雪泥态納米疇結構，實作在正常弛豫鐵電體中難以擷取的高可逆極化強度；然後，引入由晶界和納米非晶相構築的網絡結構對雪泥态納米疇結構進行區塊化分割，建構出具有隔離極性雪泥态（Isolated polar-slush, IPS）結構的新型弛豫鐵電體（圖1）。相場計算模拟和實驗結果表明，IPS結構可協同提升可逆極化強度和擊穿場強，基于組分優化可獲得高儲能密度、效率和性能優值。
圖1 弛豫鐵電中極性雪泥态區塊化政策及其極化、儲能特性的相場模拟
研究團隊借助高通量相場模拟，在Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3（BMT-ST）基弛豫鐵電薄膜中進行了實驗設計。通過大量 Bi摻雜，引入強共價性的Bi-O鍵和獨特的缺陷結構，進而形成極性雪泥态，随後通過 Ti過量引起的晶界與非晶，形成IPS結構。該薄膜的可逆極化強度和擊穿場強分别達到~77 μC/cm2和~7 MV/cm，其儲能密度突破200 J/cm3，且儲能效率達到~79%（圖2）。同時，該薄膜表現出優異的充放電循環可靠性，在25-225°C溫度範圍内性能穩定。研究團隊還在商用4英寸（直徑10.16厘米）矽晶圓上制備出了大面積薄膜，結果顯示出優異的厚度均勻性和性能一緻性，并且儲能性能高于已報道的其他大尺寸薄膜。
圖2 不同類型BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的極化、電學和儲能性能
通過二階非線性光學(SHG)掃描探測、納米束旋進電子衍射(PED)和高分辨掃描透射電子顯微鏡(STEM)等手段，研究團隊證明了IPS結構薄膜中存在高度局域化的強極性态，其源于嵌入的非晶相、高密度的晶界、由位錯陣列組成的亞晶界以及極性雪泥态團簇的綜合作用(圖3)。該結構兼具高絕緣性以及高動态的極性團簇，顯著增強了材料的儲能性能。
圖3 不同類型BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的結構表征
相關成果以“極性雪泥态區塊化政策賦予弛豫鐵電體大儲能容量”（Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability）為題發表于國際著名期刊《科學》（Science）上。材料學院2019級博士生舒亮、北京科技大學講師施小明、材料學院2022級博士生張鑫和材料學院博士後楊子奇為文章的共同第一作者，清華大學李敬鋒教授、澳洲伍倫貢大學張樹君教授和北京理工大學黃厚兵教授為文章共同通訊作者。論文重要合作者包括清華大學材料學院李千副教授等相關人員。本研究工作獲得了國家自然科學基金委基礎科學中心項目和清華大學-豐田研究中心合作項目等的資助。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721