今日Science: 清華李敬鋒組介電儲能薄膜結構設計新策略

介電儲能技術(shù)具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長(cháng)、高溫穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。雖然介電儲能技術(shù)具有高功率密度，但其儲能密度遠不及電池類(lèi)主流儲能技術(shù)，因此，研發(fā)高儲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(chǎng)強的矛盾關(guān)系依然制約其儲能密度的進(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。該研究成果于2024年7月12日在線(xiàn)發(fā)表在Science上。

該策略通過(guò)在弛豫鐵電體中實(shí)現高度局域化的強極性態(tài)來(lái)突破儲能密度。首先，通過(guò)構建混沌的雪泥態(tài)納米疇結構，實(shí)現在常規弛豫鐵電體中難以獲取的高可逆極化強度；然后，引入由晶界和納米非晶相構筑的網(wǎng)絡(luò )結構對雪泥態(tài)納米疇結構進(jìn)行區塊化分割，構建出具有隔離極性雪泥態(tài)（Isolated polar-slush, IPS）結構的新型弛豫鐵電體（圖1）。相場(chǎng)計算模擬和實(shí)驗結果表明，IPS結構可協(xié)同提升可逆極化強度和擊穿場(chǎng)強，基于組分優(yōu)化可獲得高儲能密度、效率和性能優(yōu)值。

圖1 弛豫鐵電中極性雪泥態(tài)區塊化策略及其極化、儲能特性的相場(chǎng)模擬

研究團隊借助高通量相場(chǎng)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)驗設計。通過(guò)大量 Bi摻雜，引入強共價(jià)性的Bi-O鍵和獨特的缺陷結構，從而形成極性雪泥態(tài)，隨后通過(guò) Ti過(guò)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(chǎng)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(shí)，該薄膜表現出優(yōu)異的充放電循環(huán)可靠性，在25-225°C溫度范圍內性能穩定。研究團隊還在商用4英寸（直徑10.16厘米）硅晶圓上制備出了大面積薄膜，結果顯示出優(yōu)異的厚度均勻性和性能一致性，并且儲能性能高于已報道的其他大尺寸薄膜。

圖2 不同類(lèi)型BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的極化、電學(xué)和儲能性能

通過(guò)二階非線(xiàn)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，研究團隊證明了IPS結構薄膜中存在高度局域化的強極性態(tài)，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態(tài)團簇的綜合作用(圖3)。該結構兼具高絕緣性以及高動(dòng)態(tài)的極性團簇，顯著(zhù)增強了材料的儲能性能。

圖3 不同類(lèi)型BMT-ST基弛豫鐵電薄膜的結構表征

相關(guān)成果以“極性雪泥態(tài)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(fā)表于國際著(zhù)名期刊《科學(xué)》（Science）上。材料學(xué)院2019級博士生舒亮、北京科技大學(xué)講師施小明、材料學(xué)院2022級博士生張?chǎng)魏筒牧蠈W(xué)院博士后楊子奇為文章的共同第一作者，清華大學(xué)李敬鋒教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授和北京理工大學(xué)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(xué)材料學(xué)院李千副教授等相關(guān)人員。本研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金委基礎科學(xué)中心項目和清華大學(xué)-豐田研究中心合作項目等的資助。

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