清華新聞網(wǎng)7月12日電 介電儲(chǔ)能技術(shù)具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在可再生能源、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。雖然介電儲(chǔ)能技術(shù)具有高功率密度，但其儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)不及電池類主流儲(chǔ)能技術(shù)，因此，研發(fā)高儲(chǔ)能密度介電材料成為能源材料領(lǐng)域競爭激烈的研究前沿。
在介電材料中，弛豫鐵電體因其獨(dú)特的極性納米疇結(jié)構(gòu)具有高介電儲(chǔ)能性能，但是在介電材料中普遍存在的極化強(qiáng)度與擊穿場強(qiáng)的矛盾關(guān)系依然制約其儲(chǔ)能密度的進(jìn)一步突破。清華大學(xué)材料學(xué)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(tài)區(qū)塊化”策略，利用溶膠凝膠法制備出儲(chǔ)能密度高達(dá)202J/cm3的弛豫鐵電體薄膜。
該策略通過在弛豫鐵電體中實(shí)現(xiàn)高度局域化的強(qiáng)極性態(tài)來突破儲(chǔ)能密度。首先，通過構(gòu)建混沌的雪泥態(tài)納米疇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在常規(guī)弛豫鐵電體中難以獲取的高可逆極化強(qiáng)度；然后，引入由晶界和納米非晶相構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)雪泥態(tài)納米疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)塊化分割，構(gòu)建出具有隔離極性雪泥態(tài)（Isolated polar-slush，IPS）結(jié)構(gòu)的新型弛豫鐵電體（圖1）。相場計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IPS結(jié)構(gòu)可協(xié)同提升可逆極化強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)，基于組分優(yōu)化可獲得高儲(chǔ)能密度、效率和性能優(yōu)值。
圖1.弛豫鐵電中極性雪泥態(tài)區(qū)塊化策略及其極化、儲(chǔ)能特性的相場模擬
研究團(tuán)隊(duì)借助高通量相場模擬，在Bi（Mg0.5Ti0.5）O3-SrTiO3（BMT-ST）基弛豫鐵電薄膜中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過大量Bi摻雜，引入強(qiáng)共價(jià)性的Bi-O鍵和獨(dú)特的缺陷結(jié)構(gòu)，從而形成極性雪泥態(tài)，隨后通過 Ti過量引起的晶界與非晶，形成IPS結(jié)構(gòu)。該薄膜的可逆極化強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)分別達(dá)到~77μC/cm2和~7MV/cm，其儲(chǔ)能密度突破200J/cm3，且儲(chǔ)能效率達(dá)到~79%（圖2）。同時(shí)，該薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電循環(huán)可靠性（1000萬次循環(huán)），在25-225°C溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。研究團(tuán)隊(duì)還在商用4英寸（直徑10.16厘米）硅晶圓上制備出了大面積薄膜，結(jié)果顯示出優(yōu)異的厚度均勻性和性能一致性，并且儲(chǔ)能性能高于已報(bào)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(xué)和儲(chǔ)能性能
通過二階非線性光學(xué)（SHG）掃描探測、納米束旋進(jìn)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(tuán)隊(duì)證明了IPS結(jié)構(gòu)薄膜中存在高度局域化的強(qiáng)極性態(tài)，其源于嵌入的非晶相、高密度的晶界、由位錯(cuò)陣列組成的亞晶界以及極性雪泥態(tài)團(tuán)簇的綜合作用（圖3）。該結(jié)構(gòu)兼具高絕緣性以及高動(dòng)態(tài)的極性團(tuán)簇，顯著增強(qiáng)了材料的儲(chǔ)能性能。
圖3. 不同類型BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)表征
7月11日，相關(guān)研究成果以“極性雪泥態(tài)區(qū)塊化策略賦予弛豫鐵電體大儲(chǔ)能容量”（Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability）為題，發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志。
清華大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)博士生舒亮、2022級(jí)博士生張鑫、博士后楊子奇和北京科技大學(xué)講師施小明為論文的共同第一作者，李敬鋒、澳大利亞伍倫貢大學(xué)教授張樹君和北京理工大學(xué)教授黃厚兵為論文的共同通訊作者。論文重要合作者包括清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李千等。研究得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和清華大學(xué)-豐田研究中心合作項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
