华中科技大学，Nature Materials！

米测MeLab

2025-04-16

研究背景

高熵材料是指由多种元素或化学组分组成的材料，具有比传统单一组分材料更优异的性能。自2004年高熵合金首次提出以来，高熵材料的研究迅速发展，已经在合金、陶瓷等领域取得了显著成就，展示出了优异的力学、热学和电学性能。

然而，高熵聚合物的研究仍处于初级阶段，且尚未像合金和陶瓷那样形成明确的定义和应用标准。特别是在铁电聚合物的应用中，如何克服传统材料在能量存储和电容器应用中的瓶颈，成为亟待解决的关键问题。

近日，来自华中科技大学材料学院周华民教授和刘洋教授等人在高熵铁电聚合物领域取得了重要突破。该研究突破在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers”的最新论文。该团队通过低剂量质子辐照技术，成功诱导了P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物形成高熵超顺电相，显著提升了材料的储能性能。研究发现，质子辐照引发的多种化学反应，成功地在聚合物中引入了多种化学键，增强了聚合物的极性和介电常数，并且有效抑制了铁电损耗。通过第一性原理计算和相场模拟，团队首次验证了高熵超顺电相的存在，并观察到该相能够在低电场下推迟极化饱和，从而显著提高了电容器的储能密度和充放电效率。    

该研究的成果为高熵聚合物在介电储能应用中的潜力提供了新的思路，特别是在克服传统铁电聚合物的早期极化饱和和高铁电损耗问题上，展现出了巨大的应用前景。此外，团队还发现高熵策略不仅能够提升介电储能性能，还能显著改善低电场下的电卡制冷效应，为未来电活性聚合物材料的设计与应用开辟了新的方向。这一研究成果为高性能铁电聚合物材料的开发提供了理论依据和实践指导，推动了高熵材料在柔性电子、能源存储等领域的进一步应用。

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及上海交通大学杨天南副教授等。

研究亮点

（1）实验首次通过低剂量质子辐照诱导，成功在弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CTFE)中形成高熵超顺电相，显著改善其储能性能。该高熵相通过引入多种化学键，在不破坏聚合物结晶性和链间距的情况下，增强了聚合物的极化强度和介电常数。    

（2）实验通过第一性原理计算与相场模拟相结合，确认了高熵相的存在，并通过微观结构与性能表征验证了其优异的电性能。研究表明，该高熵状态能够推迟极化的过早饱和，降低铁电损耗，显著提高储能性能。例如，在低电场强度下（100 MV/m），高熵聚合物的放电能量密度达到了3.2 J/cm³，充放电效率为87.2%，接近商用双向拉伸聚丙烯（BOPP）在高电场下的储能表现。

（3）实验通过引入局域强极性化学键与降低局域极化翻转势垒的方式，进一步提高了聚合物的介电常数与极化强度，协同提升了其储能性能。研究还发现，高熵策略在提升聚合物储能性能的同时，对低电场下的电卡制冷效应也具有显著改善，为高性能电活性聚合物材料的设计与器件应用提供了新的方向。

图文解读

图1：介电材料中的储能示意图。    

图2：质子辐照P(VDF-TrFE-CTFE)的介电与铁电特性。

   图3：质子辐照诱导的高熵相。

图4：高熵三元共聚物的电容性能。

结论展望

本文研究揭示了低剂量辐照诱导的化学反应能够有效地驱动铁电聚合物向高熵相转变，突破了以往依赖于成分调节的高熵设计方法。这一创新方法不仅改善了聚合物的极化强度、延迟了极化饱和，还显著降低了铁电损耗，为提高能量密度提供了新的思路。其次，文章提出的高熵设计不仅适用于提高聚合物的储能性能，还对其电热效应等其他功能特性，如压电和热电特性，展现出了广泛的应用潜力。

这表明，高熵策略具有跨领域的适用性，为设计具有优异性能的聚合物材料开辟了新方向。此外，研究还强调了通过分子机制的深入分析，推动了对高熵铁电聚合物的理解，为未来开发多功能聚合物器件提供了理论基础。总之，这项工作为高性能铁电聚合物的设计提供了新的科学框架，并为多功能材料的开发提供了广阔的前景。    

原文详情：

Li, C., Liu, Y., Li, B. et al. Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02211-z