今日Science: 清华三相畴变突破介电瓶颈，实现超高储能密度和效率

原创知社知社学术圈

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

介电储能密度的提升，一直受制于两大矛盾，介电常数和击穿强度无法兼顾，极化强度和转换效率难以两全。今天上线的一篇Science，清华大学林元华教授和南策文院士课题组对这一难题给出完美答案，实现112J/cc的超高储能密度。

介电材料充放电速率快，因而功率极高，在诸多功率器件有广泛应用。但其储能密度一直难以有显著提高，究其原因，是介电常数大的无机材料击穿强度通常都较低，而击穿强度高的有机材料介电常数又不高。虽然复合材料能显著提高有效介电常数，但却难以弥补击穿强度的降低。这两者难以协调的矛盾，成为制约线性介电材料储能密度的关键因素，是国际材料科学研究的前沿和热点。例如在本世纪初，美国海军为发展全电动战舰，就启动了规模宏大的介电储能研究专项。中国政府对相关研究也给予了大力的支持。

为了克服线性介电储能的难题，许多研究人员也把目光转向非线性电介质。铁电体由于其本征的大极化强度，自然引起许多关注。但其迟滞行为使得铁电体虽有较大储能密度，但储能效率很低，难以应用。而反铁电体和弛豫铁电体迟滞相对较低，因而效率不错，但极化强度又不够。因此极化和迟滞的矛盾，也成了制约非线性介电储能的关键。

今天，清华大学林元华教授和南策文院士课题组联合国内外合作者，在Science发表题为“Ultrahigh energy density lead-free dielectric films viapolymorphic nanodomain design”的研究论文，对这两对矛盾给出了完美的解决方案。他们巧妙设计三相固溶复合，通过BiFeO₃提供大的菱方相极化，通过BaTiO₃提供适中的四方相极化；再通过SrTiO₃提供顺电的立方相，以打破铁电长程有序，使其形成纳米尺度的铁电畴。这一设计大幅度降低了常规铁电畴变过程中大的能量势垒，在保持总体大极化的基础上使得畴变变得容易，因此损耗降低、迟滞减小，大幅度提升能量充放效率。

三相纳米畴变能量势垒大幅度降低，因而能显著降低迟滞，提高效率

宾州州立大学陈龙庆教授、西交大李飞教授通过相场计算，验证了唯像理论预测，并给出了三相固溶最优的组分范围。而清华课题组在其制备的薄膜材料中，的确实现了菱方四方纳米畴共存，为RSM和STEM所验证，如下图所示。特别值得一提的是，由两幅STEM比较可以清晰看出，三相固溶菱方和四方共存，显著降低了畴的尺度、提高了极化的无序度（x是为三相固溶中BaTiO₃的比例，x=0.0对应BiFeO₃和SrTiO₃的两相固溶）。

XRD，RSM，和STEM证实三相固溶中菱方－四方共存，而且畴尺度降低，极化无序度提高。

那介电性能是否如理论预期呢？从下图看可以看出，三相薄膜较于两相薄膜，介电常数有所降低，但介电损耗也显著降低。同样的现象在电滞回线也有体现，极化强度有所降低，但迟滞降低更为明显，因而在x = 0.3时实现了高极化、低迟滞的综合最优性能。

介电常数和电滞回线

另一方面，由于损耗降低和漏电流抑制，三相薄膜击穿强度大幅度提升，如下图所示：

击穿强度与漏电流

由于储能密度受击穿强度平方所制约，因此三相固溶薄膜虽然极化有所降低，但轻松被击穿强度的提高所弥补，最终储能密度显著提升。更为可贵的是，由于损耗和迟滞的降低，储能效率也显著提高，由下图所示：

储能密度

最后可以通过下表比较一下领域现状，三相固溶薄膜表现出优异的综合储能性能，储能密度甚至超过性能最高的含铅薄膜（85 J/cc）。此外，这一材料循环性能非常优越,10⁸次后性能没有明显退化，而且在大约150度的高温下仍能正常工作。

看似不可调和的矛盾，就这样通过巧妙的材料设计予以克服。清华这一漂亮工作，很有启迪。论文第一作者是清华材料学院博士生潘豪。论文重要合作者还有物理所谷林、张庆华，清华于浦，和澳大利亚伍伦贡大学张树君。工作得到国家基金委和科技部的支持。

扩展阅读

储能“黑科技”—高能量密度超级电容器

npj: 金属氟化物—释放电化学储能潜力

中美华人研制出世界首个高效铝电池：1分钟可完成充电

Science: 崔屹的纳米电池，即将改变世界

基于碳纤维布的柔性可穿戴全固态超级电容器

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

媒体转载联系授权请看下方

继续滑动看下一个