电介质电容器是现代电子电力系统中的重要储能元件。在聚合物电介质中，弛豫铁电聚合物具有高介电常数和较小的剩余极化,是实现高能量密度储能电容器的重要候选材料。然而，弛豫铁电聚合物往往具有较低极化强度、较高铁电损耗以及极化过早饱和，限制了其在介电储能电容器领域的应用。
近期，华中科技大学周华民教授和刘洋教授团队采用低剂量质子束辐照诱导高熵超顺电相，利用其独特的混乱状态，降低局域极化翻转势垒抑制铁电损耗，并通过引入局域强极性化学键提高介电常数和极化强度，协同提升储能性能。团队通过第一性原理计算、相场模拟结合微观结构与性能表征，首次证实了高熵超顺电相的存在（图1）。区别于弛豫铁电态，高熵态能提升介电常数，增强极化强度(图2a)，降低铁电损耗(图2e和2f)以及推迟极化过早饱和(图2a)，进而显著提升介电储能性能（图2d）。比如，在低电场强度100 MV/m下放电能量密度为3.2 J/cm3，充放电效率为87.2 %，接近商用双向拉伸聚丙烯BOPP在高电场500 MV/m-600 MV/m下的储能性能（图2b和2c）。这为解决弛豫铁电聚合物介电储能应用的瓶颈难题提供了新的思路。研究还发现高熵策略提升聚合物性能具有一定普适性，不仅大幅提升了介电储能性能，还显著改善了低电场下电卡制冷效应。这为后续设计高性能电活性聚合物材料与器件开辟了新的方向。
该工作以“Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers”为题发表在《Nature Materials》上，周华民教授和刘洋教授为论文共同通讯作者，华中科技大学为第一通讯单位，该团队成员博士后李晨祎博士、南方科技大学李波副教授为共同第一作者，合作者还包括材料学院张海波教授，宾夕法尼亚州立大学王庆教授和陈龙庆教授以及上海交通大学杨天南副教授等。该研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划集成项目、国家自然科学基金面上项目、华中科技大学人才引进启动基金等项目的资助。
图1高熵态的理论与实验证据。a，构象示意图；b，XRD衍射图；c, d，红外光谱；e，f，第一性原理；g，h，纳米红外光谱；i，j, k, l相场模拟。
图2 高熵聚合物的介电储能。a，电滞回线；b，效率对比；c，放电能量密度对比；d，放电能量密度和效率；e，导电损耗与铁电损耗； f，铁电损耗对比。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02211-z
图文转载自【中国聚合物网】:http://www.polymer.cn/