介電材料在能量存儲組件（包括電容器）中至關重要。盡管在提高電氣擊穿強度等性能方面取得了進展，但這些改進可能導致在充放電循環中滯后損耗的增加，從而降低效率。本文通過計算探索確定了一種在“鈦鎂酸鉍-鈦酸鍶”體系中的成分組成，避免了這一問題。本文制備的介電材料具有非常高的能量密度、低剩余極化，并且在1000萬次充放電循環中表現出良好的穩定性。—Brent Grocholski
研究背景
隨著電子和電力系統的持續發展，尤其是在可再生能源、電動汽車和智能電網等領域，對能量存儲技術的依賴日益增強。因此，在這些領域對于能量存儲密度和小型化提出了更高的要求。靜電電容器由于其超高功率密度和優異的可靠性，成為備受關注的能量存儲候選材料。然而，現有介電電容器的能量密度通常低于電化學能量存儲技術，這限制了其在能量存儲設備中的小型化和集成潛力。因此，開發具有高能量密度和高效率的可靠介電材料顯得尤為重要。介電材料的可恢復能量存儲密度Ue取決于其在施加電場E下的極化（P），通常由下面公式表示， 其中 Pm 和 Pr 分別是最大極化和剩余極化數值符號。為了獲得高Ue和能量存儲效率η，需要大的可逆極化（ΔP = Pm ? Pr）和高的擊穿電場（Eb）。因此呢，弛豫鐵電材料（RFEs）因其獨特的極化特性和高擊穿強度而引起了科學家的注意。弛豫鐵電材料通過引入化學異質性，允許形成短程有序的極性納米區域（PNRs），從而實現更大的ΔP和Eb。PNRs的形成在減少極化開關障礙方面起著關鍵作用，從而降低剩余極化Pr。這一特性使得弛豫鐵電材料成為高能量密度應用的有前途的候選材料。例如，BiFeO3-SrTiO3（BF-ST）薄膜展示了70 J/cm3的Ue和70%的能量存儲效率，Bi(Mg,Ti)O3-SrTiO3（BMT-ST）薄膜的Ue達到110 J/cm3，效率為80%，而具有多相PNRs的BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3（BF-BT-ST）薄膜則表現出112 J/cm3的Ue和80%的效率。盡管在具有PNR結構的弛豫鐵電材料中取得了顯著進展，但進一步提高其能量密度以適應更廣泛的應用仍然面臨挑戰。通過將PNRs縮小為極性簇來進一步減少Pr，已經成為工程化弛豫鐵電材料的一個新方向。然而，這種方法由于極性相比例的減少，削弱了局部極化，從而在相同電場下削弱了最大極化Pm和可逆極化ΔP。此外，較差的絕緣性能也成為實現更高擊穿電場Eb的障礙。為了推進下一代能量存儲技術的發展，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“Science”期刊上發表了題為“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”的最新文章。本文旨在通過優化材料設計和制備工藝，進一步提升弛豫鐵電材料的能量存儲密度和效率。通過這些努力，未來的高性能介電材料有望在實際應用中發揮更大的作用，推動能量存儲技術向更高效、更小型化的方向發展。
研究亮點
（1）實驗首次實施了極性泥狀分區策略，通過這一創新方法，成功實現了弛豫鐵電薄膜中的孤立極性簇，從而顯著提升了能量存儲密度。（2）實驗通過相場模擬指導設計，制備了高性能的Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3薄膜，抑制了非極性立方基質并引入了高絕緣網絡。這一過程實現了極化（P）的優化，最大極化（Pm）和剩余極化（Pr）均得到改善。（3）結果表明，所制備的薄膜在施加電場下展現出可逆極化的顯著增強，ΔP達到了較高水平，并且擊穿電場（Eb）也顯著提升，使得能量存儲密度（Ue）達到202 J/cm3，能量存儲效率（η）約為79%。
圖文解讀
圖1：采用隔離極性IPS策略設計具有增強儲能性能的RFEs。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。
科學啟迪
本文通過實施分區極性泥狀策略，成功在弛豫鐵電（RFE）薄膜中形成了獨立的泥狀極性簇，從而顯著提升了能量存儲密度。這一策略不僅通過相場模擬精確設計，還結合了實驗制備高性能的Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3基RFE薄膜，有效抑制了非極性立方基質的形成，并引入了高度絕緣的網絡結構。實驗結果顯示，新材料表現出202 J/cm3的高能量存儲密度，并達到約79%的能量存儲效率。這不僅突破了傳統RFE材料能量密度的限制，還揭示了化學異質性在形成極性納米區域（PNRs）中的關鍵作用。進一步的研究證實，通過縮小PNRs至極性簇，雖然在一定程度上降低了局部極化，但有效地降低了剩余極化，從而增強了材料的可逆極化和擊穿電場。這一創新不僅推動了RFE材料能量存儲性能的提升，也為未來高性能介電材料的設計提供了新的思路和方法，有望在電力電子、能源存儲和智能電網等領域的應用中發揮重要作用，推動技術進步和社會發展。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
