突破极化-击穿强度悖论：基于NBT的高熵陶瓷实现超高储能密度

本研究针对介电电容器储能密度受限于极化(P)与击穿强度(Eb)之间的矛盾悖论，通过创新性高熵设计策略(Na1/6Bi1/6Ca1/6Sr1/6Nd1/6Li1/6)TiO3（NBCSNLT）调控NBT基陶瓷的相结构和界面极化，成功实现电场诱导AFE-FE相变，在0.55NBCSNLT组分中获得18.2 J/cm3的创纪录储能密度和85.6%的效率，为突破储能材料性能瓶颈提供了新范式。

　　

在现代电子器件中，介电电容器因其超快充放电特性和优异化学稳定性成为脉冲功率系统的核心组件。然而储能密度(W_rec)长期受困于一个根本性矛盾：提高极化强度(P)需要增强铁电有序性，但这会降低击穿场强(E_b)；而提升E_b又往往以牺牲P为代价。这个"鱼与熊掌不可兼得"的极化-击穿悖论，导致现有材料的储能密度普遍低于5 J/cm³，严重制约了实际应用。更棘手的是，传统方法难以在保持足够极化相的同时，提供使反铁电体(AFE)转变为铁电体(FE)所需的高电场——因为晶界电阻远高于晶粒内部，大部分电压降落在晶界处，晶粒内部实际获得的电场强度不足。

安徽大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，通过精妙的高熵设计策略，成功解决了这个困扰领域多年的科学难题。研究人员选择Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)作为基体材料，其独特的R3c菱方相(R相)与P4bm四方相(T相)共存特性，为电场诱导AFE-FE相变提供了理想平台。通过引入等摩尔高熵陶瓷(NBCSNLT)作为掺杂剂，实现了相结构调控与界面极化抑制的双重效果：一方面，多价态阳离子的位置波动破坏了长程铁电有序，形成1-3 nm的极性纳米区域(PNRs)；另一方面，SrTiO₃(3.2 eV)、CaTiO₃(3.8 eV)等宽带隙组分的加入，显著提升了材料的绝缘性能。

关键技术方法包括：固相反应法制备(1-x)NBT-xNBCSNLT陶瓷体系；维也纳从头算模拟软件(VASP)计算能带结构；同步辐射XRD和原子分辨HAADF-STEM表征相结构；FORC分析和PFM观测纳米尺度畴结构；有限元模拟和相场模型研究击穿路径。

能带结构与相结构演变

第一性原理计算显示，高熵设计使带隙从纯NBT的2.97 eV提升至0.65NBCSNLT的3.18 eV。

同步辐射XRD精修证实，高熵组分促使R3c相转变为R3c/P4bm/Pm3m多相共存结构，TEM观察到条纹畴消失和纳米级PNRs形成。

储能性能突破

P-E测试揭示当E_b>550 kV/cm时打破传统P_m=99.912E_b^-0.127的经验关系。0.55NBCSNLT组分获得ΔP=57.8 μC/cm²(较纯NBT提升4.1倍)，在100 μm厚度下实现W_rec=18.2 J/cm³和η=85.6%，储能潜力W_rec/E_b=0.026 mC/cm²创纪录。

充放电测试显示在550 kV/cm下放电能量密度W_D=15.3 J/cm³，且在20-120°C和1-1000 Hz范围内性能波动<5%。

界面极化抑制机制

阻抗谱显示高熵组分使晶粒与晶界电阻失配度ΔR趋近于零，Z"-M"谱峰频率差Δf从纯NBT的10⁵ Hz降至0.65NBCSNLT的90 Hz。

有限元模拟证实高熵样品电场分布均匀，相场模型显示击穿路径发展时间延长7%，KPFM观测到表面电势差消失。

电场诱导相变

FORC分布和PFM成像揭示：当E>550 kV/cm时，AFE相转变为FE相，极化强度从48.7提升至62.1 μC/cm²。

40 V偏压下PFM观察到稳定的非线性极化响应，证实高场激活了自适应相界的PNRs。

这项研究通过靶向高熵设计，首次在体材料中实现极化-击穿悖论的突破，建立的"相结构调控-界面极化抑制"双效策略为下一代储能材料开发提供了普适性指导。其重要意义体现在三方面：(1)理论层面，揭示了高熵诱导的多相共存与界面极化消除的协同机制；(2)技术层面，开发出首个W_rec突破18 J/cm³的环保型储能陶瓷；(3)应用层面，材料在宽温域/宽频段下的卓越稳定性，满足了脉冲功率系统对可靠性的严苛要求。该成果将推动高熵设计理念在功能材料领域的广泛应用，为"双碳"目标下的能源存储技术提供新的解决方案。