【儀表網 研發快訊】隨著可再生能源、電動汽車和便攜式電子設備的快速發展，高效、快速充放電的儲能器件成為關鍵技術瓶頸之一。基于弛豫鐵電材料的介電儲能技術具有儲能密度高、功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩定性好等優點，在現代脈沖功率系統中展現出重要的應用潛力。然而，傳統電介質材料領域長期存在的難題——儲能密度極化強度與擊效率的矛盾關系，限制了其在下一代儲能技術中的應用。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，更會引發嚴重的焦耳熱積累和熱應力失效，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鍵。
針對這一難題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院靳立教授團隊創新性地提出了基于“動態偶極工程(Dynamic Dipole Engineering)”的調控理念。該策略旨在打破長程鐵電有序，將連續強相關的偶極網絡重構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下，通過在Bi0.5Na0.5TiO3基體中協同引入SrTiO3和Bi(Mg2/3Ta1/3)O3等多種弛豫劑，成功實現了偶極子的去耦合。微觀結構表征顯示，設計的BNKT-0.3(0.6ST-0.4BMT)陶瓷材料內部形成了約2-4 nm的孤立極性團簇，并呈現出多相共存的特征。這種特殊的極化架構顯著降低了極化翻轉能壘，使得偶極子能夠對外界電場做出快速且高度可逆的響應。實驗結果顯示，基于該策略制備的MLCC在650 kV cm?¹的中等電場下，實現了16.2 J·cm?3的超高儲能密度98.5%的卓越效率，其品質因數(FOM)高達1080。此外，該器件在30-150 ℃范圍內展現出極佳的溫度穩定性(Δ?/? ≤ 1.5%)，適用于航空航天、電動汽車、脈沖功率系統等對溫度變化敏感的高端應用場景。
該研究通過深入的實驗驗證與理論模擬，揭示了局域動態偶極子對材料宏觀儲能性能的影響機制。這一發現不僅為理解弛豫鐵電體中的極化行為提供了新視角，更為開發下一代高效率、高性能的動力系統儲能器件奠定了堅實的理論與材料基礎，有望推動脈沖功率技術的進一步創新。
該研究成果以《基于動態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)為題發表在國際期刊《先進材料》(Advanced Materials)上。西安交通大學靳立教授、哈爾濱工業大學王大偉教授、山東大學鄭立梅教授、云南大學胡萬彪教授、北京科技大學施小明講師和香港城市大學張樹君教授為該論文的通訊作者。西安交通大學電子學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基金、陜西省博士后研究計劃等項目的資助。
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