近日，安徽工程大學材料科學與工程學院先進陶瓷研究中心左如忠教授科研團隊，聯合中國科學技術大學李曉光教授、中科院上海矽酸鹽研究所傅正錢博士、澳洲伍倫貢大學張樹君教授在固態介質儲能電容器領域取得突破性研究進展。相關研究成果以「Supercritical Relaxor Nanograined Ferroelectrics for Ultrahigh Energy-Storage Capacitors」為題，發表在《先進材料》（Adv. Mater.）上（影響因子IF=32.086）。這一研究成果突破固態電容儲能的技術瓶頸，為設計下一代高性能脈衝功率儲能電容器提供新的技術路徑和理論基礎。安徽工程大學為該論文第一通訊作者單位，謝愛文博士為論文第一作者（doi: 10.1002/adma.202204356）。
固態介質電容器因其高功率密度、極快的充放電速度及循環壽命長等優點，在混合動力汽車、新能源發電系統、電磁彈射系統以及定向能武器等領域具有極大的應用潛力。電介質材料的性能是電容儲能的關鍵。近年來，科研人員進行了大量的實驗工作，致力於開發同時具有高儲能密度和高儲能效率的新型電介質材料，具有代表性的有弛豫鐵電陶瓷材料和弛豫反鐵電陶瓷材料，然而無論是弛豫鐵電還是弛豫反鐵電材料（陶瓷或薄膜），高電場下納米疇或者（反）極性納米微區向（反）鐵電微疇的取向、長大的過程在帶來極化強度增加的同時，也必將導致極化滯後的增加，相應的結果往往是伴隨儲能密度的增強，儲能效率開始下降，很難獲得更加理想的綜合儲能特性。多數現行儲能介質材料依賴的這些物理概念及其背後的理論基礎似乎使得當下的電容儲能研究觸及到了天花板。
左如忠教授團隊受「超臨界流體」特性的啟發，首次將弛豫鐵電體中的「超臨界」現象應用於固態電容儲能這一研究領域，成功地突破了儲能密度和效率難以兼顧的技術瓶頸，製備的超臨界弛豫鐵電陶瓷具有超高的放電儲能密度（~13.1 J/cm3）、電場不敏感的高儲能效率（~90%），高功率密度（~700 MW/cm3）和超短的放電時間（<40 ns）。該團隊通過設計和調控多種局域對稱性共存的各態歷經弛豫態（具有不同對稱性的極性納米微區），成功地在(Na,K)NbO3基無鉛弛豫鐵電陶瓷中實現了電場誘導的超臨界行為，即不同對稱性的極性納米微區因相互競爭在電場作用下只發生隨著電場的連續取向，而不發生有效長大甚至相變，這和傳統的弛豫鐵電體中經典的極化-電場響應特性完全不同。這種零場弛豫基態和高場超臨界態之間差異性的消失有效避免了極化滯後的形成，同時電場下的超臨界演變過程使得極化強度隨電場連續增加且極化飽和被高度延遲。藉助球差透射電鏡、拉曼光譜以及同步輻射X射線等先進原位技術手段很好地證實了上述超臨界演變過程。
這種在弛豫鐵電體中通過成分和結構設計、電場調控超臨界弛豫行為的設計策略突破了傳統弛豫鐵性陶瓷介質儲能的技術局限，有望在高性能陶瓷儲能電容器，特別是在薄/厚膜儲能電容器的研究和開發中得到廣泛的重視。（李天宇、蔣雪雯）