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得益于其高能量密度（U_e）和效率，弛豫铁电体（RFE）薄膜是用于小型化大功率电子系统的有前途的储能候选者。然而，然而，将U_e提高到每立方厘米200焦耳以上是一个挑战，限制了它们在下一代储能设备上的潜力。

在此，清华大学李敬锋教授，北京理工大学黄厚兵研究员和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授等人在RFE中使用了一种极性-冰沙策略，以推动U_e的提升。在相场模拟的指导下，本文们设计并制造出了高性能的Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃基RFE薄膜，通过抑制非极性立方基体和引入高绝缘网络，实现了孤立的冰沙状极性团簇。通过同时增强可逆极化和击穿强度，U_e可达到每立方厘米202焦耳，效率高达~79%，所提出的策略为下一代高性能电介质提供了设计自由度。

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【研究背景】

随着电子和电力系统的不断进步，特别是在可再生能源、电动汽车和智能电网领域，对储能技术的依赖性越来越强，对储能密度和微型化提出了更高的要求。基于介质薄膜的静电电容器具有超高功率密度和出色的可靠性，是很有前景的候选产品。然而，现有电介质电容器的能量密度普遍低于电化学储能技术，限制了其小型化和集成到储能设备中的潜力。因此，开发具有更高能量密度和更高效率的可靠电介质材料非常重要。

一般来说，电介质的可恢复储能密度U_e取决于其在外加电场E下的极化（P）。其中，Pm和Pr分别为最大极化和残余极化。为了获得一个高的U_e，需要一个大的可逆极化（ΔP = P_m–P_r）和一个高击穿电场（E_b）。尽管在短程有序的极性纳米区域（PNRs）结构RFE方面取得了进展，但进一步提高能量密度以实现更广泛的应用仍具有挑战性。通过将PNR压缩成极性簇来设计RFE，因其能进一步降低Pr而受到关注。然而，由于极性相位比降低，这种方法会削弱局部极化，从而影响同一电场下的Pm和ΔP。鉴于不佳的绝缘性能阻碍了在RFE中实现更高的Eb，这一点变得越来越紧迫。尽管纳米结构设计、晶粒细化和异质界面构建等各种方法在提高Eb方面显示出了有效性，但由于Eb和ΔP之间固有的负相关关系，目前可实现的Eb仍不能令人满意。因此，有必要解决Eb和ΔP之间的权衡问题，以提高储能性能，向下一代储能技术迈进。

【主要内容】

极性分区策略的路线图与模拟

本文提出了一种极性-冰沙策略，将多晶RFE薄膜中的PNR转化为孤立的冰沙状极性团簇，而不是仅仅通过增强化学异质性来实现局部极化的削弱，为简单起见，这种策略也被称为孤立极性-冰沙（IPS）设计（图1A）。

IPS设计主要包括两个步骤：（i）抑制弛豫薄膜内的非极性相，以形成具有2至4纳米范围内的多域和低角度域壁的冰沙极性态，从而提高P_m；（ii）构建高绝缘网络以隔离冰沙极化，这反过来又可以减小纳米域的尺寸，从而降低P_r。

由于极性相位比增加和纳米域尺寸减小，这种两步设计有望提高ΔP，从而改善等效电场下的U_e和η。此外，高绝缘隔离的效果可能会提高电阻率，从而有可能进一步提高E_b，这有利于实现卓越的储能性能。

图1：采用隔离极性IPS策略设计具有增强储能性能的RFEs。

为了进行实验验证，作者选择了0.7Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-SrTiO₃（BMT-ST）作为起始弛豫剂成分，因为它具有相对较高的最大极化（约 80 μC cm^-2，高于其他无铅RFE，例如BF-ST的约60 μC cm^-2和BF-BT-ST在各自E_b下的约70 μC cm^-2）。

据报道，在 BaTiO₃陶瓷中的 Ba²⁺位点上掺入Bi³⁺，可通过增强几个单元格的极性位移和扰乱长程极性有序来诱导冰沙状极性结构。同时，过量的Ti会促进由高电阻率晶界和无定形相组成的高绝缘网络的形成，从而形成无定形-非晶结构。

因此，通过调节BMT-ST基RFE薄膜中Bi³⁺的掺杂水平和Ti的过量，有望实现局部强极化，形成孤立的极性团簇，从而进一步提高储能性能。

图2：研究了三种基于BMT-ST的RFE薄膜的极化、电气和储能性能。

图3：三种基于BMT-ST的RFE薄膜的结构表征。

图4：储能性能的可靠性、稳定性和可扩展性测量。

【结论展望】

综上所述，本文在弛豫铁电体中实现的IPS策略，形成动态极性团簇，大大增强了极化和击穿强度，同时最大限度地最小化了迟滞损失。

因此，实现了整体电介质储能能力的显著提高，使弛豫剂的能量密度超过200 J cm^-3。在极性冰沙和隔离网络设计路线图的指导下，IPS策略有望为扩大对下一代高性能弛豫铁电体和其他相关功能的探索开辟一条途径，加速其目标应用，特别是在先进的超薄层多层陶瓷电容器技术和片上储能方面，这些技术可以与半导体平台无缝集成。

【文献信息】

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