【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著可再生能源、電動汽車和便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展，高效、快速充放電的儲能器件成為關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。基于弛豫鐵電材料的介電儲能技術(shù)具有儲能密度高、功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在現(xiàn)代脈沖功率系統(tǒng)中展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)電介質(zhì)材料領(lǐng)域長期存在的難題——儲能密度極化強度與擊效率的矛盾關(guān)系，限制了其在下一代儲能技術(shù)中的應(yīng)用。對于多層陶瓷電容器(MLCC)而言，大的損耗不僅降低了能源利用率，更會引發(fā)嚴(yán)重的焦耳熱積累和熱應(yīng)力失效，成為限制器件向高頻、高壓集成的瓶頸。因此，如何在保持高儲能密度的同時實現(xiàn)近乎無損(近100%效率)的儲能，成為了介電儲能研究的前沿和關(guān)鍵。
 

　　針對這一難題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院靳立教授團隊創(chuàng)新性地提出了基于“動態(tài)偶極工程(Dynamic Dipole Engineering)”的調(diào)控理念。該策略旨在打破長程鐵電有序，將連續(xù)強相關(guān)的偶極網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)為離散的納米級極性團簇，在維持高極化強度的同時，顯著抑制了剩余極化與滯后損耗，為實現(xiàn)大儲能密度(Wrec)與極低儲能損耗的平衡開辟了新路徑。研究團隊在相場模擬的理論指導(dǎo)下，通過在Bi0.5Na0.5TiO3基體中協(xié)同引入SrTiO3和Bi(Mg2/3Ta1/3)O3等多種弛豫劑，成功實現(xiàn)了偶極子的去耦合。微觀結(jié)構(gòu)表征顯示，設(shè)計的BNKT-0.3(0.6ST-0.4BMT)陶瓷材料內(nèi)部形成了約2-4 nm的孤立極性團簇，并呈現(xiàn)出多相共存的特征。這種特殊的極化架構(gòu)顯著降低了極化翻轉(zhuǎn)能壘，使得偶極子能夠?qū)ν饨珉妶鲎龀隹焖偾腋叨瓤赡娴捻憫?yīng)。實驗結(jié)果顯示，基于該策略制備的MLCC在650 kV cm?¹的中等電場下，實現(xiàn)了16.2 J·cm?3的超高儲能密度98.5%的卓越效率，其品質(zhì)因數(shù)(FOM)高達(dá)1080。此外，該器件在30-150 ℃范圍內(nèi)展現(xiàn)出極佳的溫度穩(wěn)定性(Δ?/? ≤ 1.5%)，適用于航空航天、電動汽車、脈沖功率系統(tǒng)等對溫度變化敏感的高端應(yīng)用場景。
 

　　該研究通過深入的實驗驗證與理論模擬，揭示了局域動態(tài)偶極子對材料宏觀儲能性能的影響機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解弛豫鐵電體中的極化行為提供了新視角，更為開發(fā)下一代高效率、高性能的動力系統(tǒng)儲能器件奠定了堅實的理論與材料基礎(chǔ)，有望推動脈沖功率技術(shù)的進一步創(chuàng)新。
 

　　該研究成果以《基于動態(tài)偶極工程的超高密度、極低損耗介電儲能》(Dynamic dipole engineering enables ultrahigh energy storage with minimal losses)為題發(fā)表在國際期刊《先進材料》(Advanced Materials)上。西安交通大學(xué)靳立教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)王大偉教授、山東大學(xué)鄭立梅教授、云南大學(xué)胡萬彪教授、北京科技大學(xué)施小明講師和香港城市大學(xué)張樹君教授為該論文的通訊作者。西安交通大學(xué)電子學(xué)院黃韻堯博士為該論文的第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省博士后研究計劃等項目的資助。