图1 弛豫铁电中超顺电态的介电、极化、储能性质的相场模拟
图2 超顺电态薄膜的介温及性能测试
在国家自然科学基金项目（批准号：51788104）等的资助下，清华大学材料学院南策文院士和林元华教授团队与合作者在介电储能研究领域取得进展。研究成果以“超顺电弛豫铁电体的超高能量存储（Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics）”为题，于2021年10月1日在线发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abi7687。《科学》杂志同期配发了台湾国立阳明交通大学教授Chu Ying-Hao题为“超顺电电池（The superparaelectric battery）”的观点评述文章。
介电电容是高功率脉冲技术中不可替代的基础储能元器件，可实现能量瞬间释放和功率放大，在超高功率装备等前沿科学研究中具有重大战略需求。但受到关键电介质材料本征电学性能的限制，介电电容的低能量密度已经成为制约其发展应用的瓶颈。开发具有更高储能密度、高效率的介电材料，是实现储能器件小型化、集成化的核心，是满足电子电力尖端领域需求的关键，是当前材料科学研究的前沿和热点。
当前弛豫铁电材料的研发主要集中于Tf ~ Tm温区以实现高的极化，但是该温区高电畴翻转能垒引起的损耗严重制约了储能性能的提升。研究团队提出在超顺电态（Tm ~ TB 温区）设计储能介电材料新思路：通过温度诱导使弛豫铁电体中电畴体积减小、耦合减弱，将翻转能垒降至与热扰动同一量级，使电畴极化翻转更为容易，从而在保持较高极化的同时显著抑制损耗。研究结合相场模拟和实验设计，制备了一系列Sm掺杂BiFeO3-BaTiO3的弛豫铁电薄膜（厚度约0.6 μm），通过Sm离子引入的局域化学、结构和电学异质性，显著降低相变温度，在室温附近实现超顺电态，在30%Sm掺杂的超顺电薄膜中获得了152 J cm-3的超高储能密度，最终实现了储能性能的综合提升。
这一超顺电设计打破了弛豫铁电体的常规设计思路，不仅为高性能介电储能材料的开发提供了新的材料设计途径，更为弛豫铁电体的极化调控开辟了新的设计思路。