中国粉体网讯 近日，清华大学材料学院南策文院士、林元华教授研究团队在无铅储能介电材料研究中取得重要进展，通过对弛豫铁电薄膜材料的稳定的超顺电设计，实现了介电储能性能的显著提升，达到152J/cm3的超高储能密度。该成果可为下一代高端储能电容器提供关键材料和技术，也为介电新材料开发和其他基于弛豫铁电的功能优化提供了新的途径。
据了解，目前用于介电储能电容器的材料主要有陶瓷基材料 、聚合物基材料 、玻璃陶瓷基材料 、陶瓷聚合物基复合材料等。相较于其他介电储能材料 ，介电陶瓷拥有较大的介电常数 、较低的介电损耗 、适中的击穿电场 、较好的温度稳定性 、良好的抗疲劳性能等优点，因此介电储能陶瓷材料在耐高温介电脉冲功率系统有应用前景，在去年12月公布的中科院基于2014-2019年论文数据统计的《2020研究前沿》报告中，无铅储能陶瓷更是力压生物、催化、电池等传统热门材料成为化学与材料科学类别最热门前沿研究方向。
（叠片多层陶瓷电容器，来源：欧普电子）
无铅储能材料根据成分组成分为BT，ST，BF，KNN，NBT，AN和NN等，根据材料厚度的不同，陶瓷介质通常可分为薄膜(厚度小于1μm)、厚膜(厚度介于1μm和100μm之间)和块体(厚度大于100μm)三类。陶瓷薄膜是陶瓷基电介质材料研究的另一重要方向。相比于块体陶瓷而言，采用丝网印刷、流延法、溶胶凝胶、激光脉冲沉积、射频磁控溅射、化学溶液沉积等方法制得的铁电陶瓷薄(厚)膜，由于其具有均一、无气孔的微观结构，在保持较高介电常数的前提下，可极大地提高材料的抗击穿强度，因而可获得更高的储能密度。清华大学研究团队前期研究成果表明，具有纳米铁电畴结构的弛豫铁电薄膜是目前最有潜力的材料体系之一，已实现~100J/cm3的储能密度和60~80%的储能效率。然而，电畴翻转能垒引起的损耗，限制了相关储能性能的进一步提升。
此次清华大学研究团队设计制备了一系列Sm掺杂BiFeO3-BaTiO3（Sm-BFBT）的弛豫铁电薄膜(厚度约0.6μm)，通过Sm离子引入的局域化学、结构和电学异质性，降低相变温度，获得满足实际应用需求的室温超顺电态。
Sm-BFBT超顺电薄膜的介电、极化和储能性能
相关成果以“超顺电态弛豫铁电中的超高储能密度”（Ultrahigh energy storage insuperparaelectricrelaxorferroelectrics）为题，于10月1日在线发表于国际著名期刊《科学》（Science）上。材料学院已毕业博士生潘豪和2017级博士生蓝顺为文章共同第一作者，林元华教授、南策文院士及中科院物理所金奎娟研究员为文章共同通讯作者。论文重要合作者包括北京理工大学黄厚兵研究员、宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授，中科院物理所谷林研究员、张庆华研究员、郭尔佳研究员，剑桥大学朱迪丝·麦克马努斯-德里斯科尔（Judith L. MacManus-Driscoll）教授，南洋理工大学王骁助理教授，清华材料学院易迪助理教授、孟繁琦博士、刘亦谦博士等相关人员。本工作获得了国家自然科学基金委基础科学中心项目等的资助。
参考来源：清华大学网站、中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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