今日Science: 清华李敬锋组介电储能薄膜结构设计新策略

2024-07-12 00:07

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介电储能技术具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、高温稳定性好等优点，因此在可再生能源、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。虽然介电储能技术具有高功率密度，但其储能密度远不及电池类主流储能技术，因此，研发高储能密度介电材料成为能源材料领域竞争激烈的研究前沿。

在介电材料中，弛豫铁电体因其独特的极性纳米畴结构具有高介电储能性能，但是在介电材料中普遍存在的极化强度与击穿场强的矛盾关系依然制约其储能密度的进一步突破。清华大学材料学院李敬锋教授课题组合作提出在弛豫铁电薄膜中引入“极性雪泥态区块化”策略，利用溶胶凝胶法制备出储能密度高达 202 J/cm³的弛豫铁电体薄膜。该研究成果于2024年7月12日在线发表在Science上。

该策略通过在弛豫铁电体中实现高度局域化的强极性态来突破储能密度。首先，通过构建混沌的雪泥态纳米畴结构，实现在常规弛豫铁电体中难以获取的高可逆极化强度；然后，引入由晶界和纳米非晶相构筑的网络结构对雪泥态纳米畴结构进行区块化分割，构建出具有隔离极性雪泥态（Isolated polar-slush, IPS）结构的新型弛豫铁电体（图1）。相场计算模拟和实验结果表明，IPS结构可协同提升可逆极化强度和击穿场强，基于组分优化可获得高储能密度、效率和性能优值。

图1 弛豫铁电中极性雪泥态区块化策略及其极化、储能特性的相场模拟

研究团队借助高通量相场模拟，在Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃（BMT-ST）基弛豫铁电薄膜中进行了实验设计。通过大量 Bi掺杂，引入强共价性的Bi-O键和独特的缺陷结构，从而形成极性雪泥态，随后通过 Ti过量引起的晶界与非晶，形成IPS结构。该薄膜的可逆极化强度和击穿场强分别达到~77 μC/cm²和~7 MV/cm，其储能密度突破200 J/cm³，且储能效率达到~79%（图2）。同时，该薄膜表现出优异的充放电循环可靠性，在25-225°C温度范围内性能稳定。研究团队还在商用4英寸（直径10.16厘米）硅晶圆上制备出了大面积薄膜，结果显示出优异的厚度均匀性和性能一致性，并且储能性能高于已报道的其他大尺寸薄膜。

图2 不同类型BMT-ST基弛豫铁电薄膜的极化、电学和储能性能

通过二阶非线性光学(SHG)扫描探测、纳米束旋进电子衍射(PED)和高分辨扫描透射电子显微镜(STEM)等手段，研究团队证明了IPS结构薄膜中存在高度局域化的强极性态，其源于嵌入的非晶相、高密度的晶界、由位错阵列组成的亚晶界以及极性雪泥态团簇的综合作用(图3)。该结构兼具高绝缘性以及高动态的极性团簇，显著增强了材料的储能性能。

图3 不同类型BMT-ST基弛豫铁电薄膜的结构表征

相关成果以“极性雪泥态区块化策略赋予弛豫铁电体大储能容量”（Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability）为题发表于国际著名期刊《科学》（Science）上。材料学院2019级博士生舒亮、北京科技大学讲师施小明、材料学院2022级博士生张鑫和材料学院博士后杨子奇为文章的共同第一作者，清华大学李敬锋教授、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授和北京理工大学黄厚兵教授为文章共同通讯作者。论文重要合作者包括清华大学材料学院李千副教授等相关人员。本研究工作获得了国家自然科学基金委基础科学中心项目和清华大学-丰田研究中心合作项目等的资助。