文章导读
当你在为电动汽车续航焦虑，或是为手机频繁充电而烦恼时，科研界正在储能材料领域悄悄破解一个困扰数十年的难题：如何在提升储能密度的同时保持近乎完美的充放电效率？西安交大团队的最新研究发现，传统材料的瓶颈并非出在化学成分上，而是隐藏在纳米尺度的偶极子排列方式中。他们通过一种名为“动态偶极工程”的创新方法，成功将储能密度提升至16.2 J·cm⁻³的同时，把能量损耗控制在惊人的1.5%以内——这个数字足以让现有储能器件的性能提升一个量级。这项突破不仅意味着未来充电设备可能更小更持久，更重要的是它揭示了一个被长期忽略的材料设计思路：真正决定储能效率的，或许根本不是材料的种类，而是那些你看不见的纳米级极性团簇如何排列。想知道这种看似微小的结构改变，为何能让电容器在650kV高压下依然保持近乎零损耗的稳定表现吗？
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随着可再生能源、电动汽车和便携式电子设备的快速发展，高效、快速充放电的储能器件成为关键技术瓶颈之一。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，在现代脉冲功率系统中展现出重要的应用潜力。然而，传统电介质材料领域长期存在的难题——储能密度极化强度与击效率的矛盾关系，限制了其在下一代储能技术中的应用。对于多层陶瓷电容器（MLCC）而言，大的损耗不仅降低了能源利用率，更会引发严重的焦耳热积累和热应力失效，成为限制器件向高频、高压集成的瓶颈。因此，如何在保持高储能密度的同时实现近乎无损（近100%效率）的储能，成为了介电储能研究的前沿和关键。
图1增强弛豫铁电体储能特性的偶极子工程设计策略。a) 循环电场下，高损耗与低损耗多层电介质电容器内部模拟的温度演变和热应力分布模拟。b) 极化行为与弛豫特性随偶极间耦合强度演变的物理机制示意图。c) 不同典型铁电材料体系的P-E回线及相应的畴结构示意图。d) 不同典型储能材料的储能品质因数对比。
针对这一难题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院靳立教授团队创新性地提出了基于“动态偶极工程（Dynamic Dipole Engineering）”的调控理念。该策略旨在打破长程铁电有序，将连续强相关的偶极网络重构为离散的纳米级极性团簇，在维持高极化强度的同时，显著抑制了剩余极化与滞后损耗，为实现大储能密度（Wrec）与极低储能损耗的平衡开辟了新路径。研究团队在相场模拟的理论指导下，通过在Bi0.5Na0.5TiO3基体中协同引入SrTiO3和Bi(Mg2/3Ta1/3)O3等多种弛豫剂，成功实现了偶极子的去耦合。微观结构表征显示，设计的BNKT-0.3(0.6ST-0.4BMT)陶瓷材料内部形成了约2-4 nm的孤立极性团簇，并呈现出多相共存的特征。这种特殊的极化架构显著降低了极化翻转能垒，使得偶极子能够对外界电场做出快速且高度可逆的响应。实验结果显示，基于该策略制备的MLCC在650 kV cm⁻¹的中等电场下，实现了16.2 J·cm⁻3的超高储能密度98.5%的卓越效率，其品质因数（FOM）高达1080。此外，该器件在30-150 ℃范围内展现出极佳的温度稳定性（Δƞ/ƞ ≤ 1.5%），适用于航空航天、电动汽车、脉冲功率系统等对温度变化敏感的高端应用场景。
该研究通过深入的实验验证与理论模拟，揭示了局域动态偶极子对材料宏观储能性能的影响机制。这一发现不仅为理解弛豫铁电体中的极化行为提供了新视角，更为开发下一代高效率、高性能的动力系统储能器件奠定了坚实的理论与材料基础，有望推动脉冲功率技术的进一步创新。
该研究成果以《基于动态偶极工程的超高密度、极低损耗介电储能》（Dynamic dipole engineering enables ultrahigh energy storage with minimal losses）为题发表在国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。西安交通大学靳立教授、哈尔滨工业大学王大伟教授、山东大学郑立梅教授、云南大学胡万彪教授、北京科技大学施小明讲师和香港城市大学张树君教授为该论文的通讯作者。西安交通大学电子学院黄韵尧博士为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省博士后研究计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522905
靳立教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ljin
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