基于電介質(zhì)材料的儲能電容器具有超快充/放電速率和高可靠性，成為高功率設(shè)備的重要組成部分。近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所功能材料物理與器件研究部自旋材料物理團隊楊兵兵研究員與清華大學林元華教授、南策文院士、松山湖材料實驗室馬秀良研究員以及澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授等合作開展了反鐵電儲能研究，提出極化構(gòu)型阻挫設(shè)計新策略，提升了反鐵電體儲能性能，相關(guān)研究成果以“Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration”為題，發(fā)表于期刊《自然》(Nature 637, 1104 (2025))。

具有反平行極化構(gòu)型的反鐵電材料在電場下可發(fā)生反鐵電到鐵電的相轉(zhuǎn)變，顯示了近零的剩余極化值和高極化強度，是理想的電介質(zhì)儲能材料。然而其較低的反鐵電-鐵電相轉(zhuǎn)變電場以及鐵電態(tài)的高回滯損耗限制了能量密度和效率提升。    

研究人員在深入分析反鐵電材料物理機制基礎(chǔ)上，提出了一種新的極化構(gòu)型阻挫設(shè)計策略。通過在反鐵電中引入非極性或極性組分，成功調(diào)控了反鐵電-鐵電相變場與回滯損耗。理論研究表明，構(gòu)建局部阻挫微區(qū)導致極化不連續(xù)，誘導產(chǎn)生界面凈電荷，形成了局部的內(nèi)建電場。對于非極性微區(qū)阻挫的反鐵電（A-N）結(jié)構(gòu)，內(nèi)建電場降低了反鐵電區(qū)真實電場強度，從而延遲了反鐵電-鐵電相轉(zhuǎn)變。撤去電場后，無自發(fā)極化的非極性區(qū)通過靜電能效應帶動反極性區(qū)快速恢復，減小了回滯損耗；而極性微區(qū)阻挫的反鐵電（A-P）結(jié)構(gòu)顯示了相反的結(jié)果（圖1a,b）。實驗上，基于經(jīng)典的反鐵電鋯酸鉛，構(gòu)建了不同阻挫極化類型的反鐵電體系，實驗結(jié)果與理論預測高度一致，表明阻挫設(shè)計的有效性。得益于A-N結(jié)構(gòu)中更穩(wěn)定的反鐵電性和低回滯損耗，實現(xiàn)了高達189 J/cm3的超高儲能密度和81%的儲能效率（圖1c）。進一步的電鏡結(jié)構(gòu)表征表明，相對于長程反平行序結(jié)構(gòu)的鋯酸鉛（圖1d），通過非極性順電相的引入，長程反平行序被破壞形成了反極性與非極性共存的阻挫結(jié)構(gòu)（圖1e），證明了阻挫結(jié)構(gòu)存在的真實性。

該研究不僅為電介質(zhì)儲能材料研究提供了新思路，還從理論上為電介質(zhì)材料的極化構(gòu)型設(shè)計提供了新的策略，可拓展到電卡、壓電等研究領(lǐng)域。上述研究成果也被Nature期刊以News & views專欄報道，標題為“Dipole disorder boosts energy-storage devices”。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08505-7

圖1. 反鐵電體極化構(gòu)型設(shè)計與儲能性能提升。