为什么2020年最热门的研究前沿是储能陶瓷？

近日， 2020研究前沿发布，这一报告描绘了2014-2019年间，自然科学与社会科学的 11 大学科领域的 148个研究前沿（包括 110 个热点前沿和 38 个新兴前沿），其中有部分研究领域同化学、材料科学和凝聚态物理相关。我们将会进行不同维度的解读，希望对有幸看到此文的你有所得。

首先，我们需要了解研究前沿的入选算法，因为不同的算法会得到截然不同的结果，对领域的任何分析都必须在其既定算法下进行分析，否则很容易得到误导性的结论，作为科研人员，我们首先得明确这一点。

热点前沿遴选方法：2014-2019年间，对每个 ESI 学科中的研究前沿的核心论文，按照总被引频次进行排序，提取排在每个 ESI 学科前 10% 的最具引文影响力的研究前沿，并将其整合到 11 大领域中，以此数据为基础，再根据核心论文出版年的平均值重新排序，遴选出每个领域中那些“最年轻”的研究前沿。从 11 大学科领域中分别遴选出的排名前 10 的热点前沿，代表各大领域中最具影响力的研究前沿，但并不一定代表跨数据库（所有学科）中最大最热的研究前沿。因此，我们耳熟能详的杂化钙钛矿太阳电池、石墨烯的落选，并不是预示着大热方向的文章减少，而是与遴选方式有关。因为大热方向其实已经进入成熟发展方向的序列，而研究前沿的关注点是短期时间内的年轻热点。

新兴前沿遴选方法：对研究前沿中的核心论文的出版年赋予了更多的权重或优先权，只有核心论文平均出版年在 2018 年 6 月之后的研究前沿才被考虑，将每个 ESI 学科的研究前沿按被引频次从高到低排序，选取被引频次排在前 10% 的研究前沿。遴选不限定学科，因此 38 个新兴前沿在 11 大学科领域中分布并不均匀。化学和材料科学遴选出的6个新兴前沿占了大约15%的份额，可见在围绕化学的相关方向上，几乎年年有新路径，前瞻性的新领域总会时不时的迸发。

                                                        ——题 记

一、导读

化学与材料科学领域共有10个热点前沿，其中排名第一的就是今天我们盘点的这位——无铅储能陶瓷。在10个入选的热点前沿中，这一领域的核心论文数是33篇，位列中部，而被引频次2130次，则位于倒数第一。那么，为何这一领域排名第一呢？因为其核心论文的平均年出版日期最近，即2017年9月。因此，通过仔细分析，笔者以为，研究前沿（热点和新兴）的关注点都侧重一个“新”字，即每年发布的研究前沿具有很强的时效性。

回到我们今天的主题——无铅储能陶瓷，这一研究领域涉及到的核心领域主要为具有铁电、压电等特性的非线性电介质材料。因为同传统的线性电介质相比，其有效储能密度较大，具有一定的应用潜力；而无铅材料，兼具环保和小于铅基材料密度的特点，便于在应用中实现轻质。电介质储能电容器和广为研究的超级电容器类似，具有高的功率密度（10⁸ W/kg级），但其能量密度则低的惊人（0.1Wh/kg级），比起我们的锂电池（400 Wh/kg级）那真是小孩了。所以，目前的研究攻坚点主要在于：提高有效能量密度和击穿场强、提升储能效率、拓宽温度稳定区间。客观而言，这一研究领域原本属于经典的凝聚态物理范畴，但因为涉及到目前大热的材料+能源领域，因此，我们可以认为这一领域是化学、材料和物理之间契合点的产物。这顺应了学科交叉的研究趋势，不过，目前主要的核心研究人员主要集中于传统的铁电、压电、和介电领域，亟待其他学科的研究人员的深度融合。物化材之间的深度融合并迸发出颠覆性的领域发展研究路径，是这一领域能够持久“热”，并真正实现“走入日常生活”的钥匙。

本文将基于SCI数据库的引文数据对其进行解读，我们选取的范围稍有扩大，从“无铅”扩展到“无铅+有铅”的完整储能陶瓷领域，时间跨度不设限，这样会更加全面的窥探领域背后的故事。

二、“储能陶瓷”研究概览

图2.1储能陶瓷的分学科发表量

如图2.1所示，储能陶瓷研究领域的论文主要以材料综合类学科为主，并且在应用物理和陶瓷学科中有较大的权重，介于中间区域的物理化学、凝聚态物理和电子类论文则起到了学科间交叉的纽带作用，这与本文开头笔者的推测是一致的。尽管这一方向属于交叉领域，但核心的融合点的发展仍较为薄弱，研究的主力依旧是以材料制备及表征为主的传统材料研究路径，而化学学科在其中处于边缘地带，即从原子、分子和结构层面进行更微观层面研究的论文较少。

图2.2储能陶瓷的发表年度曲线图

图2.2展示了2010年以来该研究方向的发文趋势， 这一领域最早的论文发表区间是1997年左右，起初只有10篇左右的工作，而十多年后（2010）的发表量仍然不过百。真正的研究热潮是从2014年开始，而那时正是能源领域论文开始增长的时间段；可见，这一方向的“热门”并不是学科研究方向发展自我突破的区域，而是在整个能源大背景下的“再发掘”，毕竟介电材料能够储存电荷和能量是一直以来的知识共识，只不过早期的研究更加关注介电过程，而没有将其同更绿色的能源应用关联。

图2.3储能陶瓷的国家和地区发表量

从图2.3的国家和地区发表分布中，我们清晰的捕捉到，中国大陆是这一领域当仁不让的绝对巨擘，总发文量占据了该领域近60%的份额，将一众小弟远远甩在沙滩上。特别需要关注的是日本，没有进入前五名，这同笔者前不久关于H_fO₂的分析文章中（日本第三）的排序有着巨大的差异。笔者猜测，可能日本学者觉得其真正应用潜力也许尚不成熟，或者在科学上难以有实质性的突破？

图2.4储能陶瓷发文量前十期刊

注：JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME为JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE MATERIALS IN ELECTRONICS)

图2.4 展示了发表该领域论文最多的前十大期刊，三大陶瓷刊物掌控了主要发表量，国陶雄居第一！而另一本电子材料领域的专业期刊JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME也是不可小觑，其余的材料类期刊则都是材料领域国人占比不低的期刊，但发文量非常小，都不过百篇。位居末尾的是两大应用物理老牌期刊，JAP和APL，但发文量也很小。此外，我们熟悉的材料类顶刊AM也不在前十，可见这一领域想发表在材料综合期刊上难度不小。这与其过于细分的研究范围有关，只有少量研究能具有更广泛的读者群，大部分的科学点都集中于陶瓷和电子材料领域，这一推断和本文接下来的引文分析不谋而合。

三、“储能陶瓷”论文引证科学分析

图3.1储能陶瓷的国际合作

国际合作方面，图3.1的合作关系表明，中国作为这一领域的最大发文国家，保持着同各主要国家的合作，而中美之间的合作强度最强。欧洲各国彼此之间的合作关联度强于同欧洲以外国家的关联。日本则是最特别的存在，自成一派的只和少数国家有一定合作。

图3.2 储能陶瓷的机构合作

图3.2的各主要研究机构间的合作具有一定的区域发展特征。作为这一领域最大的发文机构，西安交通大学主要和陕西省内的部分高校有更加紧密的合作，并且同英国的少数机构有一定的合作，这一现象并不意外，充分反映了这几个机构研究人员之间长期以来在电子陶瓷领域的师承和合作关系，区域性研究团队特征明显。从上图中，我们也可以得到一个重要信息，这一领域的研究人员集中度很高，都是传统的电子陶瓷类研究机构，一些物理和化学类颇有名气的机构基本上很少涉足这一领域。这带来一个不容忽视的问题，研究群体多样性不足，学术近亲发展现象会限制领域的学术思维的开拓，对于颠覆性和独创性科学思维的凝练是不利的。未来，期待更加多元化的机构群体的加入，搅动起更加澎湃的思想浪花。

图3.3储能陶瓷的期刊间共被引关系

接下来，我们从期刊论文共被引关系（图3.3）中捕捉研究成果的被关注度与研究的发展脉络。我们发现，这一领域的论文的关注集中度较高，陶瓷和传统材料物理类期刊的作者间互相关注同行的成果，而化学类和部分应用物理类期刊均是同领域内互相关注，值得一提的是AM，尽管发文量不大，但更容易被化学研究者关注，这也充分证明，专业综合类期刊具有更广的读者群，有利于促进成果的交叉。总体而言，该领域的学科间“深度融合”不足，这和前文发表期刊的分布是一致的。

图3.4储能陶瓷的期刊间耦合关系

接下来，我们从不同期刊各自论文的共同关注点来剖析不同领域的期刊之间是否有关联。图3.4中，我们发现欧陶和材料化学的期刊间具有一定的融合特性，而美陶和国陶则同电子材料类期刊关注点类似。而化学类期刊内的融合更为紧密，特别是新刊Journal of Materiomicsy更加侧重于化学角度。而物理类期刊APL和陶瓷类期刊的关注点明显不同，更加侧重于微观原子和晶体结构层面的机理对应用物理的影响。

图3.5 储能陶瓷论文中的核心关键词聚类分析

最后，我们看看储能陶瓷全部论文的核心关键词的聚类特征（图3.5）。图中的颜色聚类清楚的展现了学科间“似融非融”的状态，侧重于物理研究的课题，如相变、铁电压电、和应变，同更注重性能的能源以及材料加工的材料领域之间的深度交叉并不明显。其中，介电特性是彼此都关注的交叉点，这与实际的研究内容是吻合的，因为在这一方向的论文中，都不能逃离与介电有关的讨论。

图3.6 储能陶瓷论文中的核心关键词密度分布

图3.6的关键词热度向我们展示了这一领域的成果更加关注材料性能，这和其他能源类领域是一致的。但对于结构-性质-应用间的深度研究很少，多数论文的性能与解释基本上围绕的都是学科内固化的“思维定向”：构建弛豫体、诱导反铁电、处在多相间、无机混聚合。同传统铁电压电领域相比，这个方向的研究更注重实际性能，然而，宏观性能的科学内核永远逃不开微观层面的牵引作用，材料体系、材料组成、晶体构筑、和晶格振动层面的微观特征是真正影响其宏观性能的结构内核，笔者预测，一旦大部分可测材料体系都已经被挖掘殆尽的时候，会出现领域里的深度“洗牌”，部分研究者会继续走向深水区捕获更本质的影响因素，未来如何，我们拭目以待。

从目前的发文量来看，现在可能正处于持续上升和平稳发展的交汇点，这同笔者在前不久分析石墨烯十六年来的发展轨迹得到的信息是类似的。但是，同石墨烯不同，储能陶瓷的研究领域更加“小众”。从功利的角度来看，如果想在顶级期刊发表这一领域的成果，必须要在研究的深度、和其他学科的融合度，以及更宏大的研究战略上进行思考，尽管顶刊不能代表基础科学真正的突破，但至少可以反映学科融合的深度。

非线性滞回有能，铁电百年开新篇。

紧握晶格电子态，一步更比一步强。

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