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　　近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院李偉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞伍倫貢大學(xué)程振祥教授、中科院上海硅酸鹽研究所曾華榮研究員、同濟(jì)大學(xué)錢(qián)進(jìn)博士，在電介質(zhì)儲(chǔ)能陶瓷領(lǐng)域取得新的進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《Polymorphic Superparaelectric Engineering Boosting Energy Storage Capacity in BaTiO₃ -Based Ceramics》（多態(tài)超順電工程提升BaTiO₃基陶瓷儲(chǔ)能性能）為題，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Science》（先進(jìn)科學(xué)），影響因子14.1，DOI: 10.1002/advs.202524252。論文第一作者為碩士研究生劉盼，通訊作者為李偉，郝繼功，聊城大學(xué)為第一署名單位。

　　全球能源消費(fèi)攀升與可再生能源發(fā)展，催生了對(duì)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的迫切需求。BaTiO₃基鐵電陶瓷兼具高介電常數(shù)、低損耗及高熱穩(wěn)定性，成為無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，但充放電極化滯后，以及極化強(qiáng)度（ P _{ma x} ）與擊穿電場(chǎng)（ E _b）間的固有權(quán)衡關(guān)系限制了其在脈沖功率器件中的應(yīng)用。超順電體（SPE）借助內(nèi)部高動(dòng)態(tài)納米極性微區(qū)（PNRs）間的弱耦合作用，實(shí)現(xiàn)極化疇的快速可逆翻轉(zhuǎn)，為提升可恢復(fù)儲(chǔ)能密度（ W _rec）和儲(chǔ)能效率（ η ）提供了潛在路徑。但單相SPE固有的低 P _{ma x} ，從本質(zhì)上制約了 W _rec的提升空間。因此，打破現(xiàn)有材料的性能桎梏，構(gòu)建高性能無(wú)鉛陶瓷體系，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)。本研究引入多態(tài)超順電工程調(diào)控策略，成功構(gòu)建了一種具有多態(tài)PNRs特征極化構(gòu)型的B_{1- x} C _x T-BMS無(wú)鉛鐵電陶瓷體系。其中，B_0.82C_0.18T-BMS材料展現(xiàn)出 E _b = 820 kV/cm， P _{ma x} = 41.5 μC/cm²， W _rec = 9.8 J/cm³和 η = 88.5%，綜合性能處于已報(bào)道無(wú)鉛塊體陶瓷材料的領(lǐng)先水平。此外，該材料在-55~100 ℃寬溫域、1~400 Hz寬頻段及10⁵次充放電循環(huán)條件下均表現(xiàn)出卓越的儲(chǔ)能穩(wěn)定性，值得指出的是，其循環(huán)過(guò)程中的儲(chǔ)能性能波動(dòng)幅度僅小于0.3%。上述結(jié)果表明，該材料有望成為下一代極端環(huán)境下脈沖功率電容器的理想候選材料。

　　圖1. 多態(tài)超順電工程策略示意圖。

　　本研究基于室溫超順電態(tài)概念，引入Ca²⁺實(shí)現(xiàn)CaTiO₃與BaTiO₃衍生順電態(tài)的協(xié)同共存，在基體陶瓷中穩(wěn)定構(gòu)建出立方-正交-四方（C-O-T）多態(tài)超順電相結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能性能應(yīng)用奠定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該極化構(gòu)型可有效降低極化翻轉(zhuǎn)能壘，促使疇結(jié)構(gòu)在外電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)快速可逆翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而協(xié)同提升材料的宏觀(guān)極化響應(yīng)與擊穿耐久性。依托鐵電材料本征的豐富相變特性，本研究提出的多態(tài)超順電工程策略有望拓展至各類(lèi)無(wú)鉛鐵電陶瓷體系，為儲(chǔ)能性能優(yōu)化提供新的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)路徑。

　　圖2. x = 0.18陶瓷的疇結(jié)構(gòu)和極化特性 (a-c) SEAD圖；(d) HR-TEM圖；(e) 原子分辨率HAADF-STEM極化矢量圖，其中(f)代表極化矢量的方向，(g)代表極化矢量的大小。

　　論文網(wǎng)址：http://doi.org/10.1002/advs.202524252

(審核：李偉）