近日，材料科学与工程学院左如忠教授科研团队，联合中科院上海硅酸盐研究所傅正钱博士、南昌大学材料学院费林峰教授在固态介质储能电容器领域取得重要研究进展。相关研究成果以“NaNbO₃-(Bi_0.5Li_0.5)TiO₃ Lead-Free Relaxor Ferroelectric Capacitors with Superior Energy-Storage Performances via Multiple Synergistic Design”为题，发表在《先进能源材料》（Adv. Energy Mater.）上（影响因子IF=25.245），这一研究成果为设计下一代高性能脉冲功率储能电容器提供新的技术思路和理论指导。安徽工程大学为该论文第一通讯作者单位，谢爱文博士为论文第一作者。

固态介质电容器因其高功率密度和极快的充放电速度而受到人们的高度关注。近年来，左如忠教授研究团队针对固态介质电容器中的前沿问题，进行了系统深入的研究。创新性地结合了介电弛豫特性和反铁电材料的技术优势，设计出具有纳米畴结构的弛豫反铁电陶瓷材料，实现了陶瓷材料储能密度的重要突破（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978，Adv. Funct. Mater., 2019, 1903877；J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 8352-8359；ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2020, 12, 19467-19475；ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2020, 12, 32871-32879；Chem. Eng. J., 2020, 398, 125639）。同时，也利用纳米畴工程对具有高本征自发极化强度的BiFeO₃基弛豫铁电陶瓷组成进行调控，同时获得了高储能密度和效率（Adv. Energy Mater., 2020, 1903338）。

弛豫铁电材料在储能效率方面具有巨大优势，然而由于实际应用中不同性能参数之间的微妙平衡，以及理论上对充放电过程中局域结构演变规律的研究不足，很难获得理想的综合储能特性。该课题组在前期大量工作的基础上开展了针对性研究，通过多重协同设计，一方面引入具有大的极化位移的Li离子与具有6s孤对电子的Bi离子来提高极化强度，另一方面引入局域随机场来调控电畴尺寸，成功制备了综合储能性能优异的NaNbO₃-(Bi_0.5Li_0.5)TiO₃无铅弛豫铁电陶瓷，具有超高的放电储能密度~8.73 J/cm³，高储能效率~80.1%，优异的温度稳定性（±6%，25~200 ^oC）以及超快放电速率（t_0.9<85 ns）。特别是，通过原位透射电子显微镜和拉曼光谱进一步分析了施加和卸载电场过程中局域结构的演变过程，揭示了获得优异储能性能的结构机理。原位多尺度结构的演变规律与优异储能性能之间关系的深入理解将为未来开发高储能性能的弛豫铁电材料提供了理论指导。

图1 NaNbO₃-(Bi_0.5Li_0.5)TiO₃弛豫铁电陶瓷的设计思路与储能性能

图2 NaNbO₃-(Bi_0.5Li_0.5)TiO₃弛豫铁电陶瓷在冲放电过程中局域结构的演变

（文/图：乔振亮、周聪；审核：左如忠）