近日，我校材料科学与工程学院付健副教授与安徽工程大学左如忠教授，澳大利亚伍伦贡大学张树君教授，清华大学林元华教授和南策文院士等合作，在新型储能电介质材料领域取得新进展，相关成果以“A highly polarizable concentrated dipole glass for ultrahigh energy storage”为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications, 15, 7338 (2024)）上。我校为第一作者单位和第一通讯单位。其他重要合作者还有中科院上硅所傅正钱副研究员，陈学锋研究员，湖北大学郭金明教授，北京科技大学祁核副教授等。该研究工作受到了《自然·通讯》期刊编辑团队和审稿人的高度认可，从投递到编辑团队同意发表仅耗时31天。该项研究也是继超临界弛豫铁电体（Adv. Mater., 34, 2204356 (2022)）后研究团队在储能电介质材料领域的又一突破性进展。
以弛豫（反）铁电体为代表的电介质陶瓷脉冲功率电容器因其高功率密度、极快的充放电速度等优点，广泛应用于电力电子以及国防军工等高技术领域。尽管近年来弛豫铁电体材料的储能性能获得了明显的提升，但在实现电介质材料的高储能密度与高储能效率的平衡方面始终面临明显的挑战。在增加外加电场时，由于极性纳米畴的取向与长大，尽管储能密度会逐渐提升，但储能效率会不可避免的产生明显的下降。
降低极性微区尺度被认为是解决储能效率难题的有效方案。然而，在经典的弛豫（反）铁电体中，这种结构调控往往会诱导形成经典的稀偶极玻璃态（dilute dipole glass），极大地降低饱和极化强度和储能密度。为此，研究团队创新性地提出了highly polarizable concentrated dipole glass（HPCDG，高极化、高密度偶极玻璃）这一概念。通过构建原子尺度的化学成分无序，在所有晶格中引入强极性的铁电活性离子，同时在原子尺度上引入差异化分布的随机电场和应变场，进而打破相邻晶格间的偶极-偶极相互作用，从而获得具有原子尺度极性无序分布的HPCDG。在HPCDG中，具有自发极化的偶极子的有序尺度被最小化为单个晶格尺度，且近乎所有晶格中都存在强极性偶极子，但相邻晶格之间偶极子的极化强度、取向并不一致。这些特征有助于获得高的极化强度，而且高密度、强极性的偶极子在电场作用下的重新取向过程异常弥散，且无法有效地长大，从而在HPCDG陶瓷样品中获得高达~15.9 J/cm3的储能密度，储能效率亦高达93.3%。研究团队进一步制备了基于HPCDG的多层陶瓷电容器（MLCC）。结果表明，该MLCC原型器件具有创记录的高储能密度（~26.3 J/cm3），且储能效率高达~92.4%，显著优于目前主流的MLCC。在60 kV/mm电场下持续一百万次循环，储能密度仅下降~8%。此外MLCC在60 kV/mm电场表现出良好的温度稳定性，在整个测量温度范围内，储能密度与效率分别维持在12.0±0.7J/cm3和92.7±0.4%。该研究为解决脉冲功率储能介质电容器中储能密度与效率矛盾这一长期挑战提出了突破性的解决方案。
该项工作得到了国家重点研发计划，安徽省重点研发计划以及安徽省自然科学基金面上项目等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51766-z
图1 HPCDG的设计策略与MLCC器件的综合储能性能
图2相场模拟以及(BiBaNaFeTiNb)O)HPCDG的原子尺度结构
图3(BiBaNaFeTiNb)O)陶瓷样品的电学性能和极化响应特性
图4 MLCC原型器件的综合综合储能性能