介电储能电容具有充放电速度快、功率密度高、耐压能力强、稳定性好、安全等特性，在能源电力、电子电路系统中具有广泛应用。介电电容也是高功率脉冲技术中不可替代的基础储能元器件，可实现能量瞬间释放和功率放大，在超高功率装备和相关前沿科学研究中具有重大战略需求。但介电电容的能量密度仍然较低，开发具有更高储能密度、高效率的介电材料，是实现储能器件小型化、集成化的核心，是满足相关电子电力尖端领域需求的关键，也是当前材料科学研究的一个前沿和热点。
近日，Science在线刊发了题为“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”的研究论文，报道了清华大学林元华教授、南策文院士研究团队与中科院物理所金奎娟课题组、谷林课题组、北京理工大学黄厚兵课题组等合作，在储能介电材料研究方面的最新进展。在此前工作（弛豫铁电体中构建多形态纳米畴实现高储能密度；Science 365, 578 (2019)）基础上，他们通过对弛豫铁电薄膜材料的稳定的超顺电态设计，进一步实现了储能性能的综合提升，获得了152 J cm-3的超高储能密度。
弛豫铁电材料具有独特的纳米级电畴结构和弥散相变过程，是具有潜力的储能介电材料体系之一。随温度降低，弛豫铁电在很宽的温度范围内经历电畴的出现、长大和冻结（分别对应温度TB、Tm和Tf; Tm为最大介电常数对应的温度，如图1A）。当前弛豫铁电材料的研发主要集中于Tf ~ Tm温区以实现高的极化能力，但是其电畴翻转能垒引起的损耗限制了储能密度和效率的进一步提升。该论文提出在Tm ~ TB 温区（超顺电态）设计储能介电材料。由于温度诱导有望进一步使弛豫铁电体中电畴体积减小、耦合减弱，其翻转能垒可降至与热扰动同一量级，电畴因此可以更容易地发生极化翻转，从而在保持较高极化的同时显著抑制损耗。采用相场计算对多种弛豫铁电成分进行模拟，结果证明，在超顺电态区间中储能密度和效率可以实现综合优化（图1）。
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
为实现室温附近超顺电态、满足实际应用需求，研究者设计制备了一系列Sm掺杂BiFeO3-BaTiO3（Sm-BFBT）的弛豫铁电薄膜（厚度约0.6 μm），通过Sm离子引入的局域化学、结构和电学异质性，以降低相变温度（图2）。结果表明，30% Sm含量下获得的室温超顺电薄膜兼具高介电极化、低介电损耗、高弛豫系数和适当的介电非线性，从而实现预期的高储能密度和显著提升的储能效率。
图2. Sm-BFBT 超顺电薄膜的介电、极化和储能性质
发展了多场宽温区二阶非线性光学（SHG）探测方法，揭示了Sm-BFBT薄膜在77－800 K，尤其是超顺电温区(Tm ~ TB)电畴间耦合强度的原位实时演变，发现超顺电态SHG强度弱于典型弛豫铁电态（<Tm温区），但薄膜空间结构反演对称性相似，证明超顺电薄膜中仍保持一定的极化结构和畴间耦合。通过高分辨扫描透射电镜（STEM）手段观察到超顺电薄膜中的极化结构为尺寸仅若干个晶胞的纳米微区，揭示了超顺电设计实现高极化、低损耗的微观机理（图3）。
图3. SHG和STEM手段探究超顺电的微观结构机理
另一方面，由于Sm掺杂引起的缺陷调控，超顺电薄膜的绝缘性得以改善，击穿显著提升，超过5 MV/cm。在30%Sm掺杂的超顺电薄膜中，实现了最优的152 J/cm3的储能密度（@5.2 MV/cm），并实现优异的储能效率（>90% @3.5 MV/cm;>77% @5.2 MV/cm）。同时，薄膜表现出优异的充放电可靠性（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。这一超顺电设计有望广泛运用于介电储能新材料的开发和其它基于弛豫铁电体的功能优化。
清华大学博士生潘豪（现为南洋理工大学博士后）和博士生蓝顺为文章的共同第一作者，清华大学林元华教授、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Judith L. MacManus-Driscoll教授，南洋理工大学王骁助理教授，清华大学易迪助理教授、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。
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