今日Science：清華李敬鋒組介電儲能薄膜結構設計新策略

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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，因此在可再生能源、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，因此，研發高儲能密度介電材料成為能源材料領域競爭激烈的研究前沿。

在介電材料中，弛豫鐵電體因其獨特的極性奈米疇結構具有高介電儲能效能，但是在介電材料中普遍存在的極化強度與擊穿場強的矛盾關係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“極性雪泥態區塊化”策略，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。該研究成果於2024年7月12日線上發表在Science上。

該策略透過在弛豫鐵電體中實現高度局域化的強極性態來突破儲能密度。首先，透過構建混沌的雪泥態奈米疇結構，實現在常規弛豫鐵電體中難以獲取的高可逆極化強度；然後，引入由晶界和奈米非晶相構築的網路結構對雪泥態奈米疇結構進行區塊化分割，構建出具有隔離極性雪泥態（Isolated polar-slush, IPS）結構的新型弛豫鐵電體（圖1）。相場計算模擬和實驗結果表明，IPS結構可協同提升可逆極化強度和擊穿場強，基於組分最佳化可獲得高儲能密度、效率和效能優值。

圖1 弛豫鐵電中極性雪泥態區塊化策略及其極化、儲能特性的相場模擬

研究團隊藉助高通量相場模擬，在Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃（BMT-ST）基弛豫鐵電薄膜中進行了實驗設計。透過大量 Bi摻雜，引入強共價性的Bi-O鍵和獨特的缺陷結構，從而形成極性雪泥態，隨後透過 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別達到~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迴圈可靠性，在25-225°C溫度範圍內效能穩定。研究團隊還在商用4英寸（直徑10.16釐米）矽晶圓上製備出了大面積薄膜，結果顯示出優異的厚度均勻性和效能一致性，並且儲能效能高於已報道的其他大尺寸薄膜。

圖2 不同型別BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的極化、電學和儲能效能

透過二階非線性光學(SHG)掃描探測、奈米束旋進電子衍射(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態，其源於嵌入的非晶相、高密度的晶界、由位錯陣列組成的亞晶界以及極性雪泥態團簇的綜合作用(圖3)。該結構兼具高絕緣性以及高動態的極性團簇，顯著增強了材料的儲能效能。

圖3 不同型別BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的結構表徵

相關成果以“極性雪泥態區塊化策略賦予弛豫鐵電體大儲能容量”（Partitioning
polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability）為題發表於國際著名期刊《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、澳大利亞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專案和清華大學-豐田研究中心合作專案等的資助。