清華大學(xué)南策文院士和林元華教授團(tuán)隊(duì)繼2019年8月9日在Science發(fā)表題為“Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design” 文章后， 今日聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所金奎娟研究員再次在Science發(fā)表弛豫鐵電薄膜實(shí)現(xiàn)超高儲(chǔ)能密度文章。

【研究亮點(diǎn)】展示了具有超順電設(shè)計(jì)的弛豫鐵電薄膜的超高儲(chǔ)能性能。在超順電Sm-doped BFO-BTO (Sm-BFBT)薄膜中實(shí)現(xiàn)了152J cm-3的超高能量密度，并顯著提高了能量存儲(chǔ)效率。

【主要內(nèi)容】與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比，基于介電電容器的靜電儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)快速充放電速度（微秒級(jí)）和超高功率密度的最佳設(shè)備。因此，介電電容器在電子設(shè)備和電力系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。然而，介電電容器相對(duì)較低的儲(chǔ)能密度阻礙了其更廣泛的應(yīng)用，需要實(shí)現(xiàn)器件小型化、系統(tǒng)緊湊化和降低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用。因此，大量研究集中在開(kāi)發(fā)具有更高能量密度同時(shí)可靠且高效的電介質(zhì)上。

鑒于此，研究人員首先進(jìn)行了相場(chǎng)模擬證明基于溫度的超順電弛豫鐵電體設(shè)計(jì)在提高介電儲(chǔ)能性能方面的有效性。他們模擬了 10 mol% Sm 摻雜的 yBFO-(1 ? y)BTO (Sm-BFBT；y = 0.1- 0.9）的一系列組成， 其中y=0. 3時(shí)性能最佳。使用BFO-BTO是因?yàn)樗且环N具有高Pm的弛豫鐵電體。采用Sm摻雜是因?yàn)樗梢杂行У卦黾泳植慨愘|(zhì)性，這有助于在弛豫鐵電體中實(shí)現(xiàn)SPE特征。其特征是納米疇尺寸減小到幾個(gè)晶胞的極性簇，已被證明可以顯著提高整體介電儲(chǔ)能性能。在30 mol% Sm 30BFO-70BTO的超順電弛豫鐵電體薄膜中實(shí)現(xiàn)了最大能量密度(152 J cm-3)，相對(duì)于弛豫鐵電體薄膜（無(wú)摻雜時(shí)為77 J cm-3）提高了97%。其性能也在20 kHz 和 2.0 MV cm-1?的加速充電和放電測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了1 × 108循環(huán)，同時(shí)能量密度和效率下降均低于5%。該策略對(duì)具有各種成分和結(jié)構(gòu)的基于弛豫鐵電體的儲(chǔ)能電介質(zhì)具有廣泛的適用性。同時(shí)超順電設(shè)計(jì)還可用于優(yōu)化其他基于弛豫鐵電體同時(shí)需要最小滯后的的功能。

原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7687