【儀表網 研發快訊】基于電介質材料的儲能電容器具有超快充/放電速率和高可靠性，已成為高功率設備的重要組成部分。近期，中國科學院合肥物質院固體所團隊楊兵兵研究員與清華大學林元華教授、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張樹君教授等合作開展了反鐵電儲能研究，提出極化構型阻挫設計新策略，提升了反鐵電體儲能性能，相關研究成果發表在《自然》雜志(Nature)上。
反鐵電材料，因其具有反平行極化構型，在電場作用下能發生反鐵電到鐵電的相轉變，展現出近零的剩余極化值和高極化強度，是電介質儲能材料的理想選擇。然而，其較低的反鐵電-鐵電相轉變電場以及鐵電態的高回滯損耗，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制的基礎上，提出了一種新的極化構型阻挫設計策略。他們通過在反鐵電中引入非極性或極性組分，成功調控了反鐵電-鐵電相變場與回滯損耗。理論研究表明，構建局部阻挫微區導致極化不連續，誘導產生界面凈電荷，形成了局部的內建電場。對于非極性微區阻挫的反鐵電(A-N)結構，內建電場降低了反鐵電區真實電場強度，從而延遲了反鐵電-鐵電相轉變。撤去電場后，無自發極化的非極性區通過靜電能效應帶動反極性區快速恢復，減小了回滯損耗；而極性微區阻挫的反鐵電(A-P)結構顯示了相反的結果(圖1a,b)。
在實驗方面，研究團隊基于經典的反鐵電鋯酸鉛，構建了不同阻挫極化類型的反鐵電體系，實驗結果與理論預測高度一致，充分證明了阻挫設計的有效性。得益于A-N結構中更穩定的反鐵電性和低回滯損耗，研究團隊實現了高達189 J/cm3的超高儲能密度和81%的儲能效率(圖1c)。進一步的電鏡結構表征表明，相對于長程反平行序結構的鋯酸鉛(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構(圖1e)，證明了阻挫結構存在的真實性。
該研究不僅為電介質儲能材料研究提供了新思路，還從理論上為電介質材料的極化構型設計提供了新的策略，可拓展到電卡、壓電等研究領域。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計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
圖1. 反鐵電體極化構型設計與儲能性能提升
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