高性能电能存储设备是先进电子与电气装置中重要的组成部分，其中，基于电介质材料的电容器具有超快的充/放电速率以及高的可靠性，被认为是储能应用中最有前途的材料之一。然而其能量密度较低，这极大的限制了电介质材料在储能装置中的应用。研发高储能密度和效率的电介质材料是当前亟待解决的难题。
今日，Nature在线刊发了题为“Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration”的研究论文，报道了清华大学林元华教授、南策文院士团队与松山湖材料实验室马秀良研究员组、澳大利亚卧龙岗大学张树君教授组、北京理工大学黄厚兵教授组等合作在电介质储能领域的最新研究进展，通过巧妙地设计反铁电体极化序的阻挫结构，实现了反铁电相转变电场和回滞损耗的协同优化，实现了高达189 J cm-3的储能密度和81%的效率。
反铁电体（AFEs）具有反平行排列的偶极子极化结构，在外电场下显示了可忽略的剩余极化值和场致铁电态高的最大极化值，是高性能储能电容器的理性选择。但是其较低的反铁电-铁电相转变电场以及铁电态的高回滞损耗限制了储能密度和效率的提升。如何协同地调控反铁电体相转变场与回滞损耗，实现储能性能的大幅提升是目前研究面临的主要挑战。研究者们从静电能的角度出发，提出阻挫反极性极化结构的设计策略，通过构建界面极化不连续，诱导界面束缚电荷，从而调控电场的重新分布，利用这种挫折效应来操纵反铁电体的相转变场和回滞损耗。
通过相场模拟，构建了三种不同的反极性结构，分别是长程反极性结构（AFEs）、非极性微区阻挫的反极性结构（A-N）和极性微区阻挫的反极性结构（A-P）。结果表明阻挫微区诱导界面净电荷产生，形成内建电场。对于A-N结构，内建电场增强了非极性微区的电场强度，而削弱了反极性区的电场强度，延迟了反铁电-铁电的相转变，在电场撤去后，非极性微区迅速恢复到无极化状态，带动极化的反极性区快速回到原始态，减小了回滞损耗；A-P结构呈现了相反的结果。从理论上证明A-N结构有望实现更高的储能表现（图1）。
图1. 相场模拟演示反铁电中反极性的阻挫设计
基于理论预测的结果，研究者们基于典型反铁电体PbZr0.925Hf0.075O3开展实验验证，通过固溶顺电的LaScO3构建了A-N（PZH-LS）结构，固溶铁电的Na0.5Bi0.5TiO3构建了A-P（PZH-NBT）结构，实验结果与理论预测高度一致，在等电场下0.8PZH-0.2LS的结构显示了最高的能量密度以及保持高的储能效率（图2）。
图2. 基于典型的反铁电体PbZr0.925Hf0.075O3验证反极性阻挫设计的有效性
为了验证反极性阻挫结构的设计，研究者们开展了原子尺度的电镜表征，结果表明PbZr0.925Hf0.075O3具有长程的三倍周期的反极性序，随着LS的引入（x=0.2），长程的反极性序被非极性微区阻挫了，呈现了反极性与非极性共存的结构，当x=0.5时，反极性被完全破坏了。这些直观的结果与理论预测高度一致，证明了反铁电体中反极性阻挫结构的存在性。
图3. 原子分辨透射电镜证明PZH-LS薄膜的阻挫反极性结构
最终，通过反铁电体中反极性结构阻挫的设计，研究者们获得了高达189 J cm-3的能量密度，优于报道的所有反铁电体系，也比得上目前报道的其他最佳的电介质材料体系。此外，这种材料还兼具优越的充/放电循环稳定性（107循环后，能量密度恶化小于8%）和宽温区温度稳定性（-100到200°C能量密度波动小于10%）（图4）。
图4. PZH-LS薄膜电容器的储能性能
清华大学博士后杨兵兵（现为中国科学院合肥物质科学研究院研究员）、博士生刘亦谦和松山湖材料实验室博士生姜如建为文章的共同第一作者，清华大学林元华教授、松山湖材料实验室马秀良研究员、澳大利亚卧龙岗大学张树君教授为文章共同通讯作者。论文重要合作者包括清华大学南策文院士、北京理工大学黄厚兵教授、宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授，松山湖材料实验室朱银连研究员，蓝顺博士、刘素贞博士生、周志方博士、窦绿叶博士、张敏博士等相关人员。本工作获得了国家自然科学基金委国家重点研发计划、基础科学中心项目等的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08505-7
