2025年1月29日，Nature在线发表了清华大学林元华教授、松山湖材料实验室马秀良研究员和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授课题组的研究论文，题目为「Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration」，论文的第一作者为Bingbing Yang、Yiqian Liu和Ru-Jian Jiang。

基于电介质的储能电容器具有快速充放电速度和可靠性，在尖端电气和电子设备中发挥着重要作用。为了追求电容器的小型化和集成化，电介质必须提供高能量密度和效率。具有反平行偶极构型的反铁电体对于高性能能量存储具有重要意义，因为它们的剩余极化可以忽略不计，并且在场诱导铁电态下具有高的最大极化。然而，低的反铁电-铁电相变场和伴随的大磁滞损耗降低了能量密度和可靠性。

该研究在相场模拟的指导下，提出了一种新的策略，通过引入非极性或极性成分来抑制反铁电体中的反极性有序。实验表明，这种方法有效地调节了反铁电-铁电相变场，同时降低了磁滞损耗。在基于PbZrO3的薄膜中，实现了创纪录的高能量密度189 J cm-3，以及在5.51 MV cm-1的电场下实现了81%的高效率，可与最先进的储能电介质相媲美。通过扫描透射电子显微镜进行的原子级表征直接揭示了分散的非极性区域阻碍了长程反极性有序化，这有助于改善性能。这种策略为操纵极化曲线和增强反铁电体的能量存储性能提供了新的机会。

具有高能量密度和功率密度的电能存储装置对于先进的电子和电力系统来说是非常需要的。基于电介质的静电电容器被认为是最有前途的储能器件之一，因为它们具有快速的充电和放电速度以及卓越的可靠性。然而，电介质相对较低的能量密度长期以来一直是阻碍储能电容器小型化的瓶颈。

迄今为止，非线性铁电材料，包括FEs、弛豫FEs和超顺磁性材料，由于其高极化和降低的磁滞而被广泛研究用于介电储能。通过精心设计磁畴结构和原子结构，已经实现了超过130J cm-3 的高能量密度，效率超过75%。除了铁基材料之外，反铁电体(AFE)也非常有希望用于储能，因为其独特的双磁滞回线固有地整合了许多优点:(1)AFE态的反平行偶极子配置导致接近零的Pr；(2)场诱导的极性FE态导致高的Pm；以及(3)电场诱导的AFE-铁转变，桥接两种状态，有助于凹形极化/去极化过程——所有这些都说明了更高的能量存储。然而，低场感应相变场(即低AFE-铁转变场EF)和大开关滞后(即EF和铁-AFE转变场EA之间的巨大差异)对进一步改善AFE性能构成了挑战。

反极性有序阻挫的相场演示

该研究证明了在经典钙钛矿PbZrO3 基AFE材料中的反极性有序挫败策略可以显著延迟EF并抑制相变期间的滞后，这显著提高了整体储能性能。它打开了一条尚未开发的途径来灵活地调节AFE的极化曲线和场致相变，这不仅可用于能量存储，还可用于压电、电热等领域。此外，由有序受阻引起的极化不连续性也为FEs和弛豫FEs中的极化行为的潜在机制提供了建设性的观点，并且应该是该领域内普遍感兴趣的。因此，如果建立了受抑(反)极性结构，这种策略原则上可以扩展到其他钙钛矿材料，并且也可能超出钙钛矿系统(例如，萤石)。此外，随着片上电容器应用的不断发展，阻抑调制的高性能AFE材料可能成为多层、大规模和三维电容器的潜在候选材料。

论文链接：

Yang, B., Liu, Y., Jiang, RJ. et al. Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration. Nature, 2025, 637, 1104–1110. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08505-7

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