得益于其高能量密度（U_e）和效率，弛豫鐵電體（RFE）薄膜是用于小型化大功率電子系統的有前途的儲能候選者。然而，然而，將U_e提高到每立方厘米200焦耳以上是一個挑戰，限制了它們在下一代儲能設備上的潛力。

在此，清華大學李敬鋒教授，北京理工大學黃厚兵研究員和澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授等人在RFE中使用了一種極性-冰沙策略，以推動U_e的提升。在相場模擬的指導下，本文們設計并制造出了高性能的Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃基RFE薄膜，通過抑制非極性立方基體和引入高絕緣網絡，實現了孤立的冰沙狀極性團簇。通過同時增強可逆極化和擊穿強度，U_e可達到每立方厘米202焦耳，效率高達~79%，所提出的策略為下一代高性能電介質提供了設計自由度。

相關文章以“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”為題發表在Science上。

【研究背景】

隨著電子和電力系統的不斷進步，特別是在可再生能源、電動汽車和智能電網領域，對儲能技術的依賴性越來越強，對儲能密度和微型化提出了更高的要求。基于介質薄膜的靜電電容器具有超高功率密度和出色的可靠性，是很有前景的候選產品。然而，現有電介質電容器的能量密度普遍低于電化學儲能技術，限制了其小型化和集成到儲能設備中的潛力。因此，開發具有更高能量密度和更高效率的可靠電介質材料非常重要。

一般來說，電介質的可恢復儲能密度U_e取決于其在外加電場E下的極化（P）。其中，Pm和Pr分別為最大極化和殘余極化。為了獲得一個高的U_e，需要一個大的可逆極化（ΔP = P_m–P_r）和一個高擊穿電場（E_b）。盡管在短程有序的極性納米區域（PNRs）結構RFE方面取得了進展，但進一步提高能量密度以實現更廣泛的應用仍具有挑戰性。通過將PNR壓縮成極性簇來設計RFE，因其能進一步降低Pr而受到關注。然而，由于極性相位比降低，這種方法會削弱局部極化，從而影響同一電場下的Pm和ΔP。鑒于不佳的絕緣性能阻礙了在RFE中實現更高的Eb，這一點變得越來越緊迫。盡管納米結構設計、晶粒細化和異質界面構建等各種方法在提高Eb方面顯示出了有效性，但由于Eb和ΔP之間固有的負相關關系，目前可實現的Eb仍不能令人滿意。因此，有必要解決Eb和ΔP之間的權衡問題，以提高儲能性能，向下一代儲能技術邁進。

【主要內容】

極性分區策略的路線圖與模擬

本文提出了一種極性-冰沙策略，將多晶RFE薄膜中的PNR轉化為孤立的冰沙狀極性團簇，而不是僅僅通過增強化學異質性來實現局部極化的削弱，為簡單起見，這種策略也被稱為孤立極性-冰沙（IPS）設計（圖1A）。

IPS設計主要包括兩個步驟：（i）抑制弛豫薄膜內的非極性相，以形成具有2至4納米范圍內的多域和低角度域壁的冰沙極性態，從而提高P_m；（ii）構建高絕緣網絡以隔離冰沙極化，這反過來又可以減小納米域的尺寸，從而降低P_r。

由于極性相位比增加和納米域尺寸減小，這種兩步設計有望提高ΔP，從而改善等效電場下的U_e和η。此外，高絕緣隔離的效果可能會提高電阻率，從而有可能進一步提高E_b，這有利于實現卓越的儲能性能。

圖1：采用隔離極性IPS策略設計具有增強儲能性能的RFEs。

為了進行實驗驗證，作者選擇了0.7Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃（BMT-ST）作為起始弛豫劑成分，因為它具有相對較高的最大極化（約 80 μC cm^-2，高于其他無鉛RFE，例如BF-ST的約60 μC cm^-2和BF-BT-ST在各自E_b下的約70 μC cm^-2）。

據報道，在 BaTiO₃陶瓷中的 Ba²⁺位點上摻入Bi³⁺，可通過增強幾個單元格的極性位移和擾亂長程極性有序來誘導冰沙狀極性結構。同時，過量的Ti會促進由高電阻率晶界和無定形相組成的高絕緣網絡的形成，從而形成無定形-非晶結構。

因此，通過調節BMT-ST基RFE薄膜中Bi³⁺的摻雜水平和Ti的過量，有望實現局部強極化，形成孤立的極性團簇，從而進一步提高儲能性能。

圖2：研究了三種基于BMT-ST的RFE薄膜的極化、電氣和儲能性能。

圖3：三種基于BMT-ST的RFE薄膜的結構表征。

圖4：儲能性能的可靠性、穩定性和可擴展性測量。

【結論展望】

綜上所述，本文在弛豫鐵電體中實現的IPS策略，形成動態極性團簇，大大增強了極化和擊穿強度，同時最大限度地最小化了遲滯損失。

因此，實現了整體電介質儲能能力的顯著提高，使弛豫劑的能量密度超過200 J cm^-3。在極性冰沙和隔離網絡設計路線圖的指導下，IPS策略有望為擴大對下一代高性能弛豫鐵電體和其他相關功能的探索開辟一條途徑，加速其目標應用，特別是在先進的超薄層多層陶瓷電容器技術和片上儲能方面，這些技術可以與半導體平臺無縫集成。

【文獻信息】

Liang Shu?, Xiaoming Shi?, Xin Zhang?, Ziqi Yang?, Wei Li, Yunpeng Ma, Yi-Xuan Liu, Lisha Liu, Yue-Yu-Shan Cheng, Liyu Wei, Qian Li, Houbing Huang*, Shujun Zhang*, Jing-Feng Li*,?Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721