哈工大全媒体（阚思邈 司洋洋 王舒邈/文 司洋洋/图）近日，我校深圳校区前沿学部材料科学与工程学院陈祖煌教授团队与合作者在极端低温储能领域取得关键技术突破，创新性提出一种基于偶极玻璃态的新型低温储能方案，为传统储能器件极低温性能衰减的难题开辟了新的解决路径。研究成果以《基于原胞级极性无序偶极玻璃的低温能量存储》（Cryogenic Energy Storage Enabled by Dipole Glass with Unit-cell-level Polar Disorder）为题，发表于《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）。同期刊发专家评述文章《偶极玻璃开启了能量储存的低温前沿》（Dipole glasses unlock the cryogenic frontier of energy storage），评价“该成果展示的低温能量存储概念验证为更广泛的低温介电设备提供了一张蓝图”。
在深空探索、量子计算和深海极地探测等前沿科技领域，电子设备需要在极低温（低至4K，即零下269摄氏度）环境下稳定运行。然而，因离子迁移率急剧下降和电化学反应动力学迟滞，常规储能器件（如化学电池）在低温下性能急剧衰减，成为制约极端环境技术发展的瓶颈之一。相比之下，介电电容器凭借其基于物理极化的储能机制，在低温下具有本征优势。然而，目前性能最优的介电储能材料大多基于弛豫铁电体，虽然室温下储能效率可达80%以上，但其内部起关键作用的极性纳米微区在低温下会逐渐“冻结”，形成长程铁电有序，导致极化滞后损耗急剧增加，储能效率断崖式下跌。这一固有缺陷将大多数弛豫铁电体的适用温度限制在200K以上，形成了一个关键的技术鸿沟。
研究团队在反铁电材料锆酸铅（PbZrO3）中引入非极性的锆酸锶（SrZrO3）组分，在反铁电－顺电相界附近构建了偶极玻璃态（成分为Pb0.6Sr0.4ZrO3）。该体系中，反铁电组元提供了低温下增强的反极性耦合，与化学无序性协同作用，增加了偶极子形成长程有序的难度；同时，顺电组元引入的随机分布使得偶极－偶极相互作用被限制在原胞尺度，局域自由能势垒被显著平坦化，从而在保持高极化率的同时极大抑制了极化滞后损耗。
偶极玻璃的理论设计与分子动力学模拟
为验证这一设计思路，团队联合西湖大学、中国科学院物理研究所、香港理工大学等单位，开展了系统的理论模拟与实验表征。分子动力学模拟显示，在典型弛豫铁电材料铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）中，300K时原本无序的极性纳米微区在降温至4K后会冻结成单一畴的铁电态，导致剩余极化急剧增大、滞后损耗飙升。而Pb0.6Sr0.4ZrO3即使在4K经电场极化后，仍保持随机取向的局域偶极分布，偶极-偶极空间关联函数在10Å（约2～3个原胞）内即迅速衰减至零，表明其缺乏任何长程极性有序。团队进一步利用原子分辨率的低温电子叠层衍射成像技术，在95K下直接观测了Pb0.6Sr0.4ZrO3薄膜中的A位阳离子位移分布。结果显示，即使在低温下，偶极子的取向仍保持各向同性随机分布，位移大小分布呈现高斯特征（标准偏差约2.5pm），与300K时的统计分布几乎一致。这一直接原子尺度的证据，有力证实了偶极玻璃态在低温下的本征稳定性。
偶极玻璃结构无序性表征
基于上述材料设计，研究团队制备了高质量的Pb0.6Sr0.4ZrO3外延薄膜，该材料在4K至300K的宽温区内均能保持高于88%的储能效率，并在77K（液氮温度）下实现了211J/cm3的高储能密度，同时在108次充放电循环后性能几乎无衰减，充放电速度达到微秒级别。与商用双轴取向聚丙烯（BOPP）薄膜、多层陶瓷电容器（MLCC）以及已报道的介电薄膜相比，该偶极玻璃体系首次实现了在液氦温度（4K）下的高可靠、高密度储能操作，将低温储能的工作温区从液氮温区（77K）大幅拓展至液氦温区。这一工作为极端环境下电子设备的供能问题提供了全新的解决方案，通过在原胞尺度上操控极性无序，有望为介电功能材料的设计开辟更广阔的空间。
偶极玻璃低温储能性能表征
哈工大深圳校区为论文第一通讯单位。哈工大深圳校区司洋洋副教授、西湖大学博士研究生李德楠、哈工大深圳校区硕士研究生黎意杰和香港理工大学、中国科学院物理研究所联培博士陈昌盛为论文共同第一作者。哈工大深圳校区陈祖煌教授、西湖大学刘仕教授、中国科学院物理研究所陈震研究员、北京大学深圳研究生院潘豪研究员和西安交通大学李飞教授为论文共同通讯作者。哈工大深圳校区徐成彦教授、秦敬凯教授，香港城市大学王峻岭教授，印度科学学院苏吉（Sujit Das）教授，韩国科学技术院金志云（Jieun Kim）教授等参与相关研究工作。该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市青年杰出科技人才培养计划和哈工大“0-1原创探索计划”等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02260-8
