多尺度结构工程提升了四方钨青铜弛豫铁电材料的能量存储性能

《Nature Communications》：Multiscale structural engineering enables superior energy storage in tetragonal tungsten bronze relaxor ferroelectrics

　　

摘要

无铅弛豫铁电陶瓷因其超快放电特性和高功率密度，被认为在脉冲功率系统中具有巨大应用潜力。然而，其较低的击穿强度和不足的能量存储密度限制了实际应用。本研究介绍了具有四方钨青铜结构的Ba₂La_1?xBi_xTi₂Nb₃O₁₅陶瓷，在1400 kV/cm的超高电场强度下，该陶瓷可实现14.39?J/cm³的可恢复能量密度，效率高达87.69%，这一数值属于四方钨青铜结构陶瓷中的最高水平。通过实验、第一性原理计算和有限元模拟相结合的方法，我们揭示了其多尺度结构优化机制。Bi³⁺元素的引入会导致氧八面体畸变，从而打破长程有序结构并增强材料的弛豫性能。同时，晶粒的细化以及带隙的扩大显著提升了材料的击穿强度，进而使其具备更优异的能量存储性能。此外，该材料在温度、频率变化以及疲劳循环作用下仍能保持良好的稳定性。这项研究为开发具有高能量存储性能的四方钨青铜电介质提供了一种通用性的多尺度结构设计策略。