近日，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院付健副教授與安徽工程大學(xué)左如忠教授，澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授，清華大學(xué)林元華教授和南策文院士等合作，在新型儲(chǔ)能電介質(zhì)材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以"A highly polarizable concentrated dipole glass for ultrahigh energy storage "s 題發(fā)表在《自然．通訊》(Nature Communications, 15,7338 (2024)）上。我校為第一作者單位和第一通訊單位。其他重要合作者還有中科院上硅所傅正錢副研究員，陳學(xué)鋒研究員，湖北大學(xué)郭金明教授，北京科技大學(xué)祁核副教授等。該研究工作受到了《自然．通訊》期刊編輯團(tuán)隊(duì)和審稿人的高度認(rèn)可，從投遞到編輯團(tuán)隊(duì)同意發(fā)表僅耗時(shí)31天。該項(xiàng)研究也是繼超臨界弛豫鐵電體 (Adv. Mater., 34, 2204356(2022)）后研究團(tuán)隊(duì)在儲(chǔ)能電介質(zhì)材料領(lǐng)域的又一突破性進(jìn)展。

以弛豫（反）鐵電體為代表的電介質(zhì)陶瓷脈沖功率電容器因其高功率密度、極快的充放電速度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子以及國(guó)防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域。盡管近年來(lái)弛豫鐵電體材料的儲(chǔ)能性能獲得了明顯的提升，但在實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)材料的高儲(chǔ)能密度與高儲(chǔ)能效率的平衡方面始終面臨明顯的挑戰(zhàn)。在增加外加電場(chǎng)時(shí)，由于極性納米疇的取向與長(zhǎng)大，盡管儲(chǔ)能密度會(huì)逐漸提升，但儲(chǔ)能效率會(huì)不可避免的產(chǎn)生明顯的下降。

降低極性微區(qū)尺度被認(rèn)為是解決儲(chǔ)能效率難題的有效方案。然而，在經(jīng)典的弛豫（反）鐵電體中，這種結(jié)構(gòu)調(diào)控往往會(huì)誘導(dǎo)形成經(jīng)典的稀偶極玻璃態(tài)（dilute dipole glass),極大地降低飽和極化強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度。為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了highly polarizable concentrated dipole glass (HPCDG，高極化、高密度偶極玻璃）這一概念。通過(guò)構(gòu)建原子尺度的化學(xué)成分無(wú)序，在所有晶格中引入強(qiáng)極性的鐵電活性離子，同時(shí)在原子尺度上引入差異化分布的隨機(jī)電場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而打破相鄰晶格間的偶極﹣偶極相互作用，從而獲得具有原子尺度極性無(wú)序分布的HPCDG。在HPCDG中，具有自發(fā)極化的偶極子的有序尺度被最小化為單個(gè)晶格尺度，且近乎所有晶格中都存在強(qiáng)極性偶極子，但相鄰晶格之間偶極子的極化強(qiáng)度、取向并不一致。這些特征有助于獲得高的極化強(qiáng)度，而且高密度、強(qiáng)極性的偶極子在電場(chǎng)作用下的重新取向過(guò)程異常彌散，且無(wú)法有效地長(zhǎng)大，從而在HPCDG陶瓷樣品中獲得高達(dá)～15.9 J/cm3的儲(chǔ)能密度，儲(chǔ)能效率亦高達(dá)93.3%。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制備了基于HPCDG的多層陶瓷電容器（MLCC)。結(jié)果表明，該MLCC原型器件具有創(chuàng)記錄的高儲(chǔ)能密度（~26.3 J/cm3)，且儲(chǔ)能效率高達(dá)~92.4%，顯著優(yōu)于目前主流的MLCC。在60kV/mm電場(chǎng)下持續(xù)一百萬(wàn)次循環(huán)，儲(chǔ)能密度僅下降～8%。此外MLCC在60kV/mm電場(chǎng)表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，在整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)，儲(chǔ)能密度與效率分別維持在12.0±0.7J/cm3和92.7±0.4%。

該研究為解決脈沖功率儲(chǔ)能介質(zhì)電容器中儲(chǔ)能密度與效率矛盾這一長(zhǎng)期挑戰(zhàn)提出了突破性的解決方案。