熵调控应变异质性实现弛豫铁电多层陶瓷电容器的高温超高能量存储

本研究针对高温环境下多层陶瓷电容器能量存储性能不足的瓶颈问题，通过熵增强应变调控策略，在钛酸铋钠基弛豫铁电体中引入多阳离子掺杂以提升构型熵，成功制备出在1320 kV cm-1电场下具有19.0 J cm-3超高储能密度和90%效率的多层陶瓷电容器，在200°C高温下仍保持11.0 J cm-3以上的储能密度，为高温脉冲功率系统提供了突破性解决方案。

　　

随着航空航天、石油勘探等领域的快速发展，电子设备对高温环境下工作的脉冲功率系统提出了更为苛刻的要求。多层陶瓷电容器作为脉冲功率系统的核心元件，因其超高功率密度而备受关注。然而，传统介电电容器在高温条件下的能量存储性能存在明显不足：储能密度受限、能量效率下降、介电击穿强度降低，特别是在175°C以上的极端环境中，现有技术难以满足实际应用需求。这一技术瓶颈严重制约了高温电子设备的小型化与集成化发展。

为攻克这一难题，西安交通大学前沿科学技术研究院的康瑞瑞等人联合国内外研究团队，在《Nature Communications》发表了题为"Ultra-high energy storage in relaxor ferroelectric MLCCs at elevated temperatures via entropy modulated strain heterogeneity"的研究论文。研究团队创新性地将高熵材料设计理念引入弛豫铁电体，通过应变调控策略显著提升了多层陶瓷电容器的高温储能性能。

研究团队选择0.6Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.4Sr_0.7Bi_0.2TiO₃(BNSBT)弛豫铁电体作为基体材料，通过引入Sc³⁺、Nb⁵⁺和Ta⁵⁺等多种阳离子，设计了一系列不同构型熵的(1-x)BNSBT-xSr(Sc_0.5Nb_0.425Ta_0.075)O₃陶瓷体系。根据熵值大小，这些材料被命名为1.3R、1.4R、1.5R和1.6R陶瓷。令人瞩目的是，1.5R组成的多层陶瓷电容器在室温下实现了19.0 J cm^-3的可恢复储能密度和90%的能量效率，即使在200°C高温下仍保持11.0 J cm^-3以上的储能密度，性能远超目前报道的同类材料。

关键技术方法包括：采用固相反应法合成不同构型熵的BNT基陶瓷；通过流延成型技术制备五层结构的多层陶瓷电容器；利用有限元模拟分析电击穿路径；结合扫描透射电子显微镜和密度泛函理论计算研究原子尺度应变场与电子局域化关系；通过原位X射线衍射和拉曼光谱表征温度依赖的结构演化。

电学性能分析

通过威布尔分布拟合测得所有样品的击穿强度(E_b)，随着熵值增加从320 kV cm^-1显著提升至620 kV cm^-1。所有威布尔参数(β)均超过20，表明陶瓷烧结质量良好且可靠性高。不同组分在其各自击穿强度下的P-E电滞回线显示，随着外加电场增加，极化饱和现象延迟出现，这种特性有利于能量存储性能的提升。

密度泛函理论计算表明，1.5R陶瓷的带隙为2.4eV，较1.3R陶瓷的1.9eV有明显提升，证实熵增强调控的晶格应变场确实增强了弛豫铁电体的绝缘性能。有限元模拟结果显示，高晶界密度的小晶粒尺寸结构能有效抑制电树枝扩展，延长击穿路径。

微观结构表征

所有制备的BNT基陶瓷均呈现典型的伪立方钙钛矿结构。随着熵值增加，(111)和(200)衍射峰逐渐向低角度移动，表明晶格膨胀现象。拉曼光谱显示所有模式均呈现扩散和宽化特征，证实材料的弛豫特性。扫描透射电子显微镜分析显示，R相和T相极性簇以扩散边界形式分散在非极性C基质中，形成强烈的局部多晶型畸变。

原位微结构表征表明，1.5R陶瓷在-50至250°C温度范围内未观察到结构变化，拉曼峰数量保持不变，局部结构对称性稳定。即使温度从室温升至250°C，极性簇和1/2(ooo)及1/2(ooo)超晶格结构仍保持稳定，证实材料具有优异的结构稳定性。

多层陶瓷电容器性能

将1.5R陶瓷制成五层结构的多层陶瓷电容器，每层厚度约20μm。在1320 kV cm^-1电场下，获得19.0 J cm^-3的储能密度和90%的效率。脉冲放电测试显示能量密度达17.5 J cm^-3。循环稳定性测试表明，在1000 kV cm^-1电场下经过10⁵次循环后，P_m和P_r变化小于2%，表现出卓越的循环稳定性。

温度依赖性测试显示，在-75至200°C宽温范围内，储能密度变化小于15%，放电能量密度变化小于2%，表现出卓越的热稳定性。这种优异的温度稳定性使该多层陶瓷电容器成为高温能量存储应用的理想选择。

本研究通过熵增强应变调控策略，成功实现了弛豫铁电多层陶瓷电容器在高温下的超高能量存储性能。该工作不仅提供了一种有效的材料设计方法，而且为下一代高温介电材料的发展指明了方向。熵工程诱导的结构稳定性和应变异质性为解决高温电子设备中的能量存储难题提供了创新解决方案，在航空航天、石油勘探等高温应用领域具有广阔前景。