在先进电子设备向小型化、集成化迭代，新能源汽车、智能电网对储能性能提出更高要求的当下，介电储能技术的突破成为推动相关产业升级的关键。近日，江苏科技大学宋东坡副教授、张颖团队与中国科学院固体物理研究所杨兵兵研究员团队携手攻关，在介电储能材料领域取得重大突破，相关研究成果以“Dual-Phase In Situ Symbiosis Structures for Ultrahigh Capacitive Energy Storage”为题，发表于国际知名期刊《Energy & Environmental Materials》（简称EEM），为高端储能设备升级提供了全新技术路径。
介电电容器作为上述领域的储能组件，凭借高功率密度与高可靠性优势不可或缺，其储能性能直接决定相关设备的小型化、集成化水平，而储能密度主要取决于材料的极化强度与击穿场强。长期以来，“极化强度与击穿场强相互制约”的行业难题，不仅限制了介电电容器储能密度提升，也让介电储能技术发展滞后于电化学储能技术。
“传统优化方法难以同时兼顾高极化和高击穿场强，现有双相结构材料则需在高电场环境下才能实现较高储能密度，无法满足微型机电系统对低电场、高效率储能的需求。”宋东坡副教授介绍，这一行业痛点成为团队攻关的方向。
为破解瓶颈，研究团队依托两种特性互补的材料相开展创新设计：奥里维利斯相（铋基层状铁电体）具备高自发极化强度、优良抗疲劳性和高居里温度，是高性能介电材料的理想选择，却受限于低击穿场强和高滞后损耗；烧绿石相（类线性顺电体）拥有中等介电常数和高击穿场强，可精准弥补前者短板。“我们设想通过原位共生方式结合两者，实现性能协同优化。”杨兵兵研究员表示。
基于这一思路，团队以奥里维利斯相材料BaBi4Ti4O15（简称BBT）为基底，在其B位进行Hf掺杂，通过相分离技术原位构建出奥里维利斯相（高极化）与烧绿石相（高击穿场强）的双相原位共生结构，通过精准调控Hf掺杂浓度实现两相比例可控，终在较低电场下实现超高储能密度与高储能效率的双重突破。
为验证设计科学性，团队采用相场模拟构建二维模型，系统模拟双相结构演化、铁电极化行为及击穿路径，为Hf掺杂浓度调控提供理论支撑；随后通过化学溶液沉积法制备BaBi4Ti4?xHfxO15系列薄膜，并借助多种仪器完成全面性能测试与表征。
测试结果显示，Hf掺杂浓度对薄膜结构与性能影响显著：当x=1.0时，薄膜实现两相稳定共存，Ba、Bi、Ti、Hf、O元素分布均匀无偏聚；微观形貌同步优化，晶粒尺寸减小、表面孔隙消除，均方根粗糙度从纯BBT薄膜的16.9 nm降至3.15 nm，降幅达81.4%。
电学性能方面的突破更为显著：x=1.0时，薄膜击穿场强达4.9 MV·cm-1（为纯BBT薄膜的2倍），Weibull模量从5.4提升至25.6，可靠性大幅提升；在此电场条件下，薄膜实现132.4 J·cm-3的超高储能密度和76%的储能效率，储能密度提升2倍以上，且在宽频率、宽温度范围及多次充放电循环中保持性能稳定，具备极强实际应用潜力。
据悉，宋东坡团队长期深耕铁性薄膜与光电薄膜制备及物性研究，杨兵兵团队聚焦电子功能材料及器件研发，双方跨单位合作实现优势互补，成功探索出解决介电材料矛盾的新路径。
业内人士指出，该研究提出的“双相原位共生结构”设计策略，丰富了高储能介电材料设计体系，为介电电容器性能升级提供全新技术方案。随着技术优化与产业化推进，其将推动先进电子、新能源等领域仪器设备向小型化、集成化、高可靠性升级，为我国新质生产力发展、高端装备制造业升级注入新动能。目前，团队正进一步优化掺杂工艺，推动成果早日落地应用。