同一第一作者2年后再发Science，这个超高能量密度器件循环了100000000次！

第一作者：Hao Pan，Shun Lan（共一）

通讯作者：Kui-Juan Jin (金奎娟), Ce-Wen Nan (南策文), Yuan-Hua Lin (林元华)

通讯单位：中科院物理所，清华大学

清华大学南策文院士和林元华教授团队继2019年8月9日在Science发表题为“Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design” 文章后（推文查看：清华大学林元华/南策文Science：基于多相纳米域设计的超高能量密度无铅介电薄膜）， 今日联合中国科学院物理研究所金奎娟研究员再次在Science发表弛豫铁电薄膜实现超高储能密度文章。

【研究亮点】

展示了具有超顺电设计的弛豫铁电薄膜的超高储能性能。在超顺电Sm-doped BFO-BTO (Sm-BFBT)薄膜中实现了152J cm^-3的超高能量密度，并显著提高了能量存储效率。

【主要内容】

与电化学储能技术相比，基于介电电容器的静电储能是实现快速充放电速度（微秒级）和超高功率密度的最佳设备。因此，介电电容器在电子设备和电力系统中扮演着越来越重要的角色。然而，介电电容器相对较低的储能密度阻碍了其更广泛的应用，需要实现器件小型化、系统紧凑化和降低成本来实现其广泛应用。因此，大量研究集中在开发具有更高能量密度同时可靠且高效的电介质上。

电介质中的能量存储是通过外部电场 E 中的电介质极化 P 实现的，能量密度 U_e 由下式决定, 其中P_m为最大极化强度，P_r 为剩余极化强度。因此，要通过实现高极化 (P_m) 和低滞后 (P_r) 来实现高能量密度和效率。改善极化和能量性能的主要方法是从铁电非线性电介质中开发弛豫铁电体 (RFE)。弛豫铁电体的特点是在很宽的温度范围内发生扩散相变，从纳米畴出现的温度T_B到纳米畴生长和介电常数达到最大值的中间温度T_m，最后到纳米畴冻结的冻结温度T_f。设计T_m < T < T_B 范围内的弛豫铁电体，也被定义为超顺电 (SPE) 弛豫铁电体，是一种很有前途但很少被探索的方法。

鉴于此，研究人员首先进行了相场模拟证明基于温度的超顺电弛豫铁电体设计在提高介电储能性能方面的有效性。他们模拟了 10 mol% Sm 掺杂的 yBFO-(1 − y)BTO (Sm-BFBT；y = 0.1- 0.9）的一系列组成， 其中y=0. 3时性能最佳。使用BFO-BTO是因为它是一种具有高Pm的弛豫铁电体。采用Sm掺杂是因为它可以有效地增加局部异质性，这有助于在弛豫铁电体中实现SPE特征。其特征是纳米畴尺寸减小到几个晶胞的极性簇，已被证明可以显著提高整体介电储能性能。在30 mol% Sm 30BFO-70BTO的超顺电弛豫铁电体薄膜中实现了最大能量密度(152 J cm^-3)，相对于弛豫铁电体薄膜（无掺杂时为77 J cm^-3）提高了97%。其性能也在20 kHz 和 2.0 MV cm^-1 的加速充电和放电测试中实现了1 × 10⁸循环，同时能量密度和效率下降均低于5%。该策略对具有各种成分和结构的基于弛豫铁电体的储能电介质具有广泛的适用性。同时超顺电设计还可用于优化其他基于弛豫铁电体同时需要最小滞后的的功能。

Fig. 1 | Phase field simulations of the SPE design in RFEs for high-performance dielectric energy storage.

Fig. 2 | Dielectric, polarization, and energy storage properties of the Sm-BFBT films.

Fig. 3 | Microstructural origins of the SPE.

Fig. 4 | Energy storage performance of the Sm-BFBT SPE films.

原文：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7687