第一作者：Bingbing Yang，Yiqian Liu
通讯作者：林元华
通讯单位：清华大学
林元华，男，博士，清华大学教授。目前发表SCI收录论文300余篇，其中在Science、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Comunn.、Phys. Rev. Lett., Adv. Mater等期刊上发表100余篇，SCI论文被引用30000余次。申请专利30项，获授权20项。在国际国内会议上做邀请报告80余次。
论文速览
为实现高的储能性能，必须在极化和击穿强度这两个矛盾参数之间做出取舍。研究表明，无论是什么材料类型，都可以通过控制微观结构来调节这两个参数：非晶态具有更高的击穿强度，而晶态则具有更大的极化强度。然而，如何平衡非晶态和晶态相是一个需要系统和定量研究的问题。
通过相场模拟，作者全面评估了极化与击穿场随微观结构演变（即晶粒尺寸和结晶度）之间的权衡。结果表明，晶粒尺寸小（约10-35 nm）且结晶度适中（约60%~80%）更有利于同时保持相对较高的极化和击穿场，从而有助于实现高的整体能量存储性能。实验上，作者在微晶-非晶双相Bi3NdTi4O12薄膜中实现了高达131 J cm-3的超高能量密度和81.6%的高效率。本工作为通过简单有效的微观结构设计大幅提升介电能量存储提供了指导。
图文导读
图1：BNT多晶在晶粒尺寸和结晶度从左到右减小的情况下，通过相场模拟得到的结构演变、极化分布和击穿路径。
图2：在固定电场下，不同晶态和晶粒尺寸下的能量存储性能。
图3：不同热处理温度下BNT薄膜的表面形貌、P-E回线以及从P-E回线得出的极化性能参数。
图4：BNT薄膜的相结构和微观结构演变，包括晶粒尺寸和非晶相分布。
图5：BNT薄膜极结构的演变。
图6：BNT薄膜的能量存储性能。
总结展望
本文通过理论和实验相结合的方法，系统研究了微观结构演变对极化和击穿行为的影响，并全面评估了极化与击穿场之间的权衡。研究结果表明，具有小晶粒尺寸和适度结晶度的介电材料不仅有利于实现高击穿场，而且能够保持相对较大的极化，从而实现比报道的近非晶介电材料更高的能量密度和效率。
在BNT薄膜中实现了131 J cm-3的高能量密度和81.6%的高效率。本工作为通过设计多晶微结构来普遍提高介电材料的能量存储性能提供了深入的见解，并建议了优化的微观结构参数区间。
文献信息
标题：Balancing Polarization and Breakdown for High Capacitive Energy Storage by Microstructure Design
期刊：Advanced Materials DOI：10.1002/adma.202403400
