北科大弛豫铁电储能合作研究成果发表《Science》

近日，北京科技大学数理学院磁电介质物理梯队施小明博士在相场模拟设计弛豫铁电材料微结构方面取得进展，与清华大学李敬锋团队合作，以共同第一作者在《Science》上发表研究成果：“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”。该研究通过独特的设计在弛豫铁电薄膜中引入“极性雪泥态区块化”策略，实现了储能密度高达202J/cm3的弛豫铁电体薄膜制备，并且在一千万次充放电循环中保持稳定。

基于弛豫铁电材料的介电储能技术具有储能密度高、功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、高温稳定性好等优点，因此在可再生能源、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。然而介电储能材料领域长期存在的难题——极化强度与击穿强度的矛盾关系，即如何在增强材料极化的同时，确保其能够承受更高的电场强度而不被破坏，限制了弛豫铁电储能密度的进一步提升，成为了介电储能研究的前沿和关键。

基于此，研究团队合作构建出具有隔离极性雪泥态（Isolated polar-slush, IPS）结构的新型弛豫铁电体（图1）。借助高通量相场模拟，发现在Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3（BMT-ST）基弛豫铁电薄膜中通过大量Bi掺杂可以形成极性雪泥态；进一步通过Ti过量引起的晶界与非晶，可以形成IPS结构。通过组分优化设计，IPS结构可协同提升可逆极化强度和击穿场强，获得高储能密度、效率和性能优值（储能密度突破200J/cm3，储能效率达到79%）。该结果与实验测量性能结果趋势高度吻合，验证了相场模拟有效性。