清华大学材料学院南策文院士和林元华教授团队与中科院物理所金奎娟研究员等人合作，在介电储能研究领域取得进展。研究成果以“超顺电弛豫铁电体的超高能量存储（Ultrahigh energy storage in superparaelectricrelaxor ferroelectrics）”为题，于2021年10月1日发表在《科学》杂志上（Science, 374, 6563, 100-104, DOI: 10.1126/science.abi7687）。

介电储能电容具有充放电速度快、功率密度高、耐压能力强等特性，在能源电力、电子电路系统中具有广泛应用。但介电电容的能量密度相对较低，开发具有高储能密度、高效率的介电材料，是实现储能器件小型化、集成化的核心，也是当前材料科学研究的一个前沿和热点。

图1. 弛豫铁电中超顺电态的介电、极化、储能性质的相场模拟

当前弛豫铁电材料的研发主要集中于T_f～T_m温区以实现高的极化，但是该温区高电畴翻转能垒引起的损耗制约了储能性能的提升。该研究团队提出在超顺电态（T_m～T_B温区）设计储能介电材料新思路：通过温度诱导使弛豫铁电体中电畴体积减小、耦合减弱，将翻转能垒降至与热扰动同一量级，使电畴极化翻转更为容易，从而在保持较高极化的同时显著抑制损耗。

该研究结合相场模拟和实验设计，制备了一系列Sm掺杂BiFeO₃-BaTiO₃的弛豫铁电薄膜（厚度约0.6 μm），通过Sm离子引入的局域化学、结构和电学异质性，显著降低相变温度，在室温附近实现了超顺电态。宽温区二阶非线性光学（SHG）探测和高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）等手段证明了室温超顺电薄膜中仍保持若干个晶胞大小的极性电畴结构和畴间耦合。由此，在成分优化（30% Sm掺杂）的室温超顺电薄膜中获得损耗的显著抑制，并保持了较高的极化，从而实现了152 J/cm³的高储能密度和优异的储能效率（>90% @3.5 MV/cm；>77% @ 5.2 MV/cm），实现了储能性能的综合提升。同时，薄膜表现出良好的充放电循环可靠性（一亿次循环后性能衰减小于5%），在-100～150 ℃温度范围内亦保持性能稳定。

图2. Sm-BFBT 超顺电薄膜的介电、极化和储能性能

作者表示，这一超顺电设计打破了弛豫铁电体的常规设计思路，不仅为高性能介电储能材料的开发提供了新的材料设计途径，更为弛豫铁电体的极化调控开辟了新的设计思路。

（摘自国家自然科学基金委）