北京科技大学JACS：引入局域化学团簇，实现无铅弛豫铁电体的优异固态介质电容储能性能

【研究背景】

固体的局域结构，通常是埃到几个纳米的尺度范围，涵盖了近邻原子键长到数个单胞尺度的空间结构特征。传统的晶体学方法只能提供平均的长程晶格信息，局域尺度的晶格特征如局域晶格畸变、短程化学序等，往往被掩盖在宽化的长程平均结构中。弛豫铁电固溶体以局域不均一极性结构为特征，表现出优异的固态介质电容储能、压电、电致伸缩等性质。一般认为，局域化学成分不均一性是形成这种极性结构的先决条件。这种局域不均匀性由于表征困难，在化学组分设计中，弛豫铁电体固溶体通常被简化为无序固溶体，即不同离子在晶格中随机分布并占据同一晶格点位。然而，这种简化也忽略了局域化学成分不均一性在宏观性能调控中的重要作用。

【成果简介】

北京科技大学陈骏教授和刘辉副教授等在利用大科学装置中子/同步辐射全散射和原子对分布函数（PDF）技术解析弛豫铁电体局域结构及化学调控基础上[JACS 145, 6194 (2023); JACS 145, 11764 (2023); Nature Commun. 14, 1007 (2023); Sci. Adv. 9, eade7078 (2023); Acta Mater. 243, 118505 (2023); InfoMat 5, e12362 (2023); Chem. Mater. 34, 3985 (2022). Phys. Rev. B 105, 094118 (2022)]。通过在BNT-BT基无铅弛豫铁电体中引入局域化学团簇，获得具有强极化矢量长度及方向波动的极性状态，实现了高的电容储能密度（W_rec = 15.2 J cm⁻³）和高的存储效率（h = 91%）。

研究发现固溶体中存在亚纳米级Bi³⁺，Na⁺，Ba²⁺离子团簇，这些离子团簇承载着差异化极性团簇：Bi³⁺团簇具有大的极化矢量长度，而Na⁺和Ba²⁺离子团簇具有小的极化矢量长度。这种离子团簇诱导的极化矢量方向和长度强烈波动结构，在电场作用下发生极化旋转和极化伸长，成形2段式宏观极化曲线。因此，该类弛豫铁电固溶体具有随电场增加而增加的储能效率、储能密度及高的击穿场强。该研究工作表明，常常被忽视的局域化学序对弛豫体的极化特性有重要影响，并且可用于增强固态介质电容储能性能。

相关研究成果以“Local Chemical Clustering Enabled Ultrahigh Capacitive Energy Storage in Pb-Free Relaxors”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》。合作单位包括南京理工大学，美国橡树岭国家实验室散裂中子源和阿贡国家实验先进光源。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c06912。

【图文介绍】

图1：在无铅弛豫铁电固溶体中设计局域化学团簇以实现“双高”储能特性（高储能密度及高存储效率）的设计思路、第一性原理计算不同原子排布构型能量及电荷密度

图2：平均结构及基于高分辨电镜的局域结构表征

图3：局域大科学装置中子/同步辐射全散射技术重构三维原子尺度结构

图4：亚纳米尺度离子团簇定量表征

图5：局域离子极化特性及三维极性结构解析

图6：优异的固态介质电容储能特性

【作者简介】

刘辉，北京科技大学材料基因工程高精尖创新中心副教授，硕导，陈骏教授团队青年教师。2020年博士毕业于北京科技大学，曾获留学基金委资助在美国阿贡国家实验室交流学习。主要围绕钙钛矿型铁电材料的结构和功能，从局域结构和晶体结构角度，在复杂固溶体体系功能导向设计合成及构效关系等方面开展系列工作。特别是借助同步辐射/中子散射等大科学装置原位表征技术研究精细晶体结构、局域结构等方面取得了系列成果。目前以第一作者/通讯（共同）作者身份发表SCI论文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc. (3篇)、Phys. Rev. Lett. (2篇)、Nature Commun.、Acta Mater. (4篇)等。入选2020年博士后创新人才支持计划，主持国家自然科学基金面上和青年基金等省部级以上项目多项；担任中国晶体学会局域结构与全散射分会副秘书长，Chin. Chem. Lett.、Prog. Nat. Sci.-Mater.、Tungsten等5个国际期刊的青年编委/客座编辑等。