通过异质结构设计实现无铅铁电陶瓷的卓越储能性能

为解决无铅介电陶瓷储能密度(Wrec)和效率(η)不足的难题，西安交通大学等单位研究人员开发了0.85K0.5Na0.5NbO3-0.15Sr0.7Nd0.2ZrO3异质结构陶瓷，在760 kV cm-1电场下实现14 J cm-3的超高Wrec和89%的η，为电子器件微型化提供了新材料范式。

　　

在电子器件日益微型化的今天，介电电容器因其超高功率密度成为能源存储元件的热门选择。然而，无铅材料始终面临两大瓶颈：储能密度(W_rec)普遍低于5 J cm^-3，能量效率(η)多不足80%。这主要源于其微观结构缺陷导致的极化饱和早、剩余极化(P_r)高等问题。尽管K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)基陶瓷因环境友好特性备受关注，但现有材料在500 kV cm^-1中等电场下的性能仍难以满足实际需求。

西安交通大学的研究团队通过创新性的异质结构设计，将正交相(O)和四方相(T)极性纳米区嵌入立方相(C)基质，成功制备出0.85KNN-0.15Sr_0.7Nd_0.2ZrO₃(SNZ)陶瓷。该成果发表于《Nature Communications》，实现了760 kV cm^-1下14 J cm^-3的创纪录储能密度，效率高达89%；更在500 kV cm^-1中等电场下获得7 J cm^-3/92%的优异综合性能，远超同类材料。

研究采用多尺度表征技术：通过固态反应法制备陶瓷；利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(STEM)解析O-T-C多相共存结构；借助压电力显微镜(PFM)观测纳米域动态响应；结合相场模拟揭示异质结构与性能的构效关系；最后通过充放电测试评估实际应用潜力。

能量存储性能与充放电特性

研究发现SNZ掺杂可显著提升ΔP(P_max-P_r)，x=0.15组分在760 kV cm^-1下获得48.5 μC cm^-2的P_max和仅1.4 μC cm^-2的P_r。充放电测试显示，该材料在450 kV cm^-1下具有4120 A cm^-2的电流密度和930 MW cm^-3的功率密度，放电能量密度(W_d)达5.3 J cm^-3，t_0.9放电速率仅85 ns。

O-T-C多相纳米区共存的微观解析

Rietveld精修证实陶瓷中O相(26.14%)与T相(73.86%)共存。原子分辨率HAADF-STEM显示3 nm尺寸的极性纳米区随机分布，平均极化强度仅3.42 pm，证实伪立方相基质的形成。温度依赖介电测试显示两个特征转变峰(T_O-T和T_T-C)，表明多相共存结构的稳定性。

相场模拟验证域结构演化

模拟显示随着SNZ含量增加，O相纳米域比例下降，域尺寸细化至150 nm。这种结构促进极化旋转，延缓饱和效应，与实验观测的"细长型"P-E回线特征高度吻合。

光学透明特性

材料在2000 nm近红外区透光率达78%，兼具储能与透光性能，适用于固态照明等特殊场景。

该研究通过多尺度异质结构设计，首次在KNN基块体陶瓷中实现性能突破。其意义在于：1) 提出"正交-四方-立方"多相纳米区协同调控新策略；2) 为中等电场应用场景提供最优解决方案；3) 证明传统固相法亦可制备高性能材料。这项工作为无铅储能材料开发提供了普适性设计范式，推动电子器件向高效化、微型化发展。