基于电介质材料的介电储能电容器具有快的充放电速率、高的功率密度以及优越的可靠性，是现代电子电路系统中不可替代的组成部分。在已报道的各类电介质材料中，弛豫铁电体因具有小的极化翻转回滞和较大的极化值，成为电介质储能材料的主流研究对象之一。弛豫铁电体的弛豫性来源于其局部的成分异质性，但是局部成分异质性是定性的描述，不利于在实验上有效设计弛豫铁电体。

图1.基于多种典型介电材料的相场模拟结构

材料学院林元华教授等人总结出弛豫铁电体局部成分异质性与原子无序度（即原子构型熵）强烈相关（图1a），提出用熵来描述和评价局部成分异质性，而熵是一个可量化的参数，这将有助于在实验上更好地设计出高性能的弛豫铁电体。相场模拟结果表明熵可以显著地调控介电材料的极化特性（图1b），进而优化介电储能性能（图1c-e）。研究团队定义了优值（UF）参数综合评价电介质的储能性能，筛选出最佳区间是中熵。

图2.熵调控样品的晶体结构和元素分布

图3.材料的结构异质性、弛豫度、极化特性以及储能性能随熵的演变

图4.熵调控材料的储能性能

研究团队在实验上基于典型的层状铋基铁电材料（Bi₄Ti₃O₁₂）（图2a-c）设计了实验，原子像的透射电镜结果表明引入的调控熵的元素（La，Pr，Nd和Sm）在原子尺度上是均匀分布的，并且可以看到在等价位置上的Bi元素可被引入的元素无序替代，表明通过熵的调控，提升了材料的局部成分异质性。基于透射电镜，他们进一步地统计了钙钛矿层中B-位原子相对于顶角A-位原子的相对位移，随着熵的增加，原子相对位移方向变得更加无序（图3a-c），且位移大小的分布变得更加弥散（图3d-f），表明更大的晶格扭曲和提升的局部结构异质性。

由于熵带来的成分无序和结构无序增加，导致材料的弛豫性增加，极化回滞减小，最终优化出了最佳的储能区间（图3g-i）是中熵，和模拟计算的结构一致。基于此，他们总结出熵-成分异质性-弛豫度的关联，进而将有助于在实验上更加有效地指导弛豫铁电体的设计，实现更佳的性能。最终在中熵的弛豫铁电体x=1.5的薄膜中实现了最优的储能性能，即储能密度为178.1 J cm^-3，效率为80.5%，并且该薄膜还具有较好的充放电循环稳定性和宽温区的温度稳定性（图4a-d）。此外，基于中熵的成分，研究团队还尝试了多层薄膜电容器的制备，其相对于传统的流延制备的多层陶瓷电容器，显示了更高的储能性能（图4e-f）。

近日，相关成果以“熵调控弛豫铁电体的储能优化”（Engineering relaxors by entropy for high energy storage performance）为题在线发表于国际著名期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。材料学院博士后杨兵兵、中科院物理所副研究员张庆华和北京理工大学教授黄厚兵为文章的共同第一作者。清华大学林元华教授、南策文院士为文章的共同通讯作者。论文的重要合作者还包括加州大学伯克利分校博士后潘豪，宾夕法尼亚州立大学教授陈龙庆，清华大学材料学院教授谷林，材料学院博士后蓝顺、杨乐陶、魏宾，以及博士生刘亦谦、刘逸群，北京理工大学的朱文轩等相关人员。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委中心项目等的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01300-0