【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】基于電介質(zhì)材料的儲能電容器具有超快充/放電速率和高可靠性，已成為高功率設(shè)備的重要組成部分。近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所團(tuán)隊楊兵兵研究員與清華大學(xué)林元華教授、南策文院士、松山湖材料實驗室馬秀良研究員以及澳大利亞臥龍崗大學(xué)張樹君教授等合作開展了反鐵電儲能研究，提出極化構(gòu)型阻挫設(shè)計新策略，提升了反鐵電體儲能性能，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志(Nature)上。
 

　　反鐵電材料，因其具有反平行極化構(gòu)型，在電場作用下能發(fā)生反鐵電到鐵電的相轉(zhuǎn)變，展現(xiàn)出近零的剩余極化值和高極化強(qiáng)度，是電介質(zhì)儲能材料的理想選擇。然而，其較低的反鐵電-鐵電相轉(zhuǎn)變電場以及鐵電態(tài)的高回滯損耗，一直限制著能量密度和效率的提升。
 

　　針對這一問題，研究人員在深入分析反鐵電材料物理機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種新的極化構(gòu)型阻挫設(shè)計策略。他們通過在反鐵電中引入非極性或極性組分，成功調(diào)控了反鐵電-鐵電相變場與回滯損耗。理論研究表明，構(gòu)建局部阻挫微區(qū)導(dǎo)致極化不連續(xù)，誘導(dǎo)產(chǎn)生界面凈電荷，形成了局部的內(nèi)建電場。對于非極性微區(qū)阻挫的反鐵電(A-N)結(jié)構(gòu)，內(nèi)建電場降低了反鐵電區(qū)真實電場強(qiáng)度，從而延遲了反鐵電-鐵電相轉(zhuǎn)變。撤去電場后，無自發(fā)極化的非極性區(qū)通過靜電能效應(yīng)帶動反極性區(qū)快速恢復(fù)，減小了回滯損耗；而極性微區(qū)阻挫的反鐵電(A-P)結(jié)構(gòu)顯示了相反的結(jié)果(圖1a,b)。
 

　　在實驗方面，研究團(tuán)隊基于經(jīng)典的反鐵電鋯酸鉛，構(gòu)建了不同阻挫極化類型的反鐵電體系，實驗結(jié)果與理論預(yù)測高度一致，充分證明了阻挫設(shè)計的有效性。得益于A-N結(jié)構(gòu)中更穩(wěn)定的反鐵電性和低回滯損耗，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了高達(dá)189 J/cm3的超高儲能密度和81%的儲能效率(圖1c)。進(jìn)一步的電鏡結(jié)構(gòu)表征表明，相對于長程反平行序結(jié)構(gòu)的鋯酸鉛(圖1d)，通過非極性順電相的引入，長程反平行序被破壞形成了反極性與非極性共存的阻挫結(jié)構(gòu)(圖1e)，證明了阻挫結(jié)構(gòu)存在的真實性。
 

　　該研究不僅為電介質(zhì)儲能材料研究提供了新思路，還從理論上為電介質(zhì)材料的極化構(gòu)型設(shè)計提供了新的策略，可拓展到電卡、壓電等研究領(lǐng)域。上述研究成果也被 Nature 期刊在News & views專欄報道。
 

　　該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
 

圖1. 反鐵電體極化構(gòu)型設(shè)計與儲能性能提升