近日，我校万博全站manbetX登录先进陶瓷研究中心左如忠教授科研团队，联合中国科学技术大学李晓光教授、中科院上海硅酸盐研究所傅正钱博士、澳洲伍伦贡大学张树君教授在固态介质储能电容器领域取得突破性研究进展。相关研究成果以“Supercritical Relaxor Nanograined Ferroelectrics for Ultrahigh Energy-Storage Capacitors”为题，发表在《先进材料》（Adv. Mater.）上（影响因子IF=32.086）。这一研究成果突破固态电容储能的技术瓶颈，为设计下一代高性能脉冲功率储能电容器提供新的技术路径和理论基础。安徽工程大学为该论文第一通讯作者单位，谢爱文博士为论文第一作者（doi: 10.1002/adma.202204356）。
固态介质电容器因其高功率密度、极快的充放电速度及循环寿命长等优点，在混合动力汽车、新能源发电系统、电磁弹射系统以及定向能武器等领域具有极大的应用潜力。电介质材料的性能是电容储能的关键。近年来，科研人员进行了大量的实验工作，致力于开发同时具有高储能密度和高储能效率的新型电介质材料，具有代表性的有弛豫铁电陶瓷材料和弛豫反铁电陶瓷材料，然而无论是弛豫铁电还是弛豫反铁电材料（陶瓷或薄膜），高电场下纳米畴或者（反）极性纳米微区向（反）铁电微畴的取向、长大的过程在带来极化强度增加的同时，也必将导致极化滞后的增加，相应的结果往往是伴随储能密度的增强，储能效率开始下降，很难获得更加理想的综合储能特性。多数现行储能介质材料依赖的这些物理概念及其背后的理论基础似乎使得当下的电容储能研究触及到了天花板。
左如忠教授团队受“超临界流体”特性的启发，首次将弛豫铁电体中的“超临界”现象应用于固态电容储能这一研究领域，成功地突破了储能密度和效率难以兼顾的技术瓶颈，制备的超临界弛豫铁电陶瓷具有超高的放电储能密度（~13.1 J/cm3）、电场不敏感的高储能效率（~90%），高功率密度（~700 MW/cm3）和超短的放电时间（<40 ns）。该团队通过设计和调控多种局域对称性共存的各态历经弛豫态（具有不同对称性的极性纳米微区），成功地在(Na,K)NbO3基无铅弛豫铁电陶瓷中实现了电场诱导的超临界行为，即不同对称性的极性纳米微区因相互竞争在电场作用下只发生随着电场的连续取向，而不发生有效长大甚至相变，这和传统的弛豫铁电体中经典的极化-电场响应特性完全不同。这种零场弛豫基态和高场超临界态之间差异性的消失有效避免了极化滞后的形成，同时电场下的超临界演变过程使得极化强度随电场连续增加且极化饱和被高度延迟。借助球差透射电镜、拉曼光谱以及同步辐射X射线等先进原位技术手段很好地证实了上述超临界演变过程。
这种在弛豫铁电体中通过成分和结构设计、电场调控超临界弛豫行为的设计策略突破了传统弛豫铁性陶瓷介质储能的技术局限，有望在高性能陶瓷储能电容器，特别是在薄/厚膜储能电容器的研究和开发中得到广泛的重视。
图1. 超临界弛豫铁电储能材料的设计思路与储能性能
图2. 多种对称性共存的局域结构以及加载/卸载电场过程中平均结构和局域结构的演变
图3. 加载/卸载电场过程中局域结构（纳米级）的演变
（文/图：李天宇、蒋雪雯；审核：左如忠）