我国学者在高功率电介质能量存储方面取得进展

　　

图 (a-c) 理论建立不同阻挫极化构型及其对极化行为的影响，包括反铁电（Antipolar）、非极性微区阻挫的反铁电（A-N）与极性微区阻挫的反铁电（A-P）；(d) Antipolar极化构型的直观表征；(e) A-N极化构型的直观表征；(f) 阻挫反铁电的能量存储性能。

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52388201）等资助下，清华大学林元华教授、南策文院士团队与合作者在高功率电介质能量存储方面取得进展。相关研究成果以“反极化序阻挫设计提升能量存储性能（Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration）”为题，于2025年1月30日在线发表于《自然》（Nature），并被News & views专栏报道，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08505-7。

　　反铁电（AFEs）具有近零的剩余极化值和场致铁电态的高极化强度，是高性能介电电容器的理想选择，但外电场下反铁电相的低稳定性与高回滞损耗限制其储能密度和可靠性提升。实现反铁电体相稳定与损耗协同调控是目前反铁电储能研究亟需解决的关键科学问题。

　　林元华教授团队从静电场能角度出发，创新性地提出了反极化序的阻挫设计策略，实现了外场下反铁电相稳定性与损耗的可控调节，从而显著提升了反铁电的储能密度和可靠性。理论研究表明，由于阻挫微区和反铁电区自发极化的差异，导致两者的界面处极化不连续，从而诱导界面净电荷的产生，形成局部内建电场。对于非极性微区阻挫的反铁电（A-N）结构，在反铁电区，内建电场方向与外电场方向相反，致使其真实电场强度降低，从而延迟了反铁电-铁电相转变。撤去电场后，非极性区迅速回到无自发极化状态，通过静电能效应迫使反铁电区也快速恢复原始状态，从而减小了回滞损耗；对于极性微区阻挫的反铁电（A-P）结构，则显示了相反的结果。基于理论指导，该团队在经典的反铁电锆酸铅中构建了不同阻挫类型的反铁电体系，发现固溶非极性的顺电相可同时提升反铁电相稳定性和减小回滞损耗，而固溶极性铁电相则降低了反铁电相稳定性，实验结果与理论预测高度一致，表明了阻挫设计对反铁电调控的可行性。进一步结构研究表明，相对于长程反平行极化结构的锆酸铅，通过非极性顺电相的引入，形成了反极性与非极性共存的阻挫结构，证明了阻挫结构存在的真实性。得益于A-N中更稳定的反铁电性和低的回滞损耗，实现了高达189 J/cm³的超高储能密度和81%的储能效率，此外电容器还表现出优越的循环稳定性（10⁷循环后，能量密度变化＜8%）和温度稳定性（-100~200°C温度范围，能量密度变化＜10%）。

　　本研究不仅实现了反铁电材料储能性能的突破，还从理论上为电介质材料的极化构型设计提供了新的策略，可拓展到电卡、压电等研究领域。