基于高熵与超顺电协同设计的BNT-KNN-SST陶瓷在中等电场下实现高性能储能

为解决传统储能材料在极端环境下性能衰减的问题，研究人员通过高熵设计(high-entropy)与超顺电态(superparaelectric)调控的协同策略，开发出BNT-0.3KNN-0.15SST陶瓷，在500 kV/cm中等电场下实现8 J/cm3储能密度(Wrec)和>91%效率(η)，兼具宽温域稳定性(20–240°C)和超长循环寿命(≥106次)，为下一代电容器在苛刻环境中的应用提供突破性解决方案。

　　

全球能源转型背景下，高效储能技术成为破解可再生能源间歇性难题的关键。作为核心元件的介电陶瓷电容器，虽具有充放电速度快、功率密度高的优势，却长期受困于“性能跷跷板”效应——高储能密度(W_rec)与高效率(η)、宽温域稳定性和长循环寿命难以兼得。更棘手的是，现有材料往往需依赖>500 kV/cm的高电场，既增加系统成本又带来安全隐患。如何在中低电场下实现性能协同提升，成为制约储能器件发展的“卡脖子”难题。

针对这一挑战，中央高校基本科研业务费专项资金资助团队创新性地提出“高熵设计+超顺电态调控”双引擎策略。研究人员以经典弛豫铁电体(relaxor ferroelectrics, RFEs) Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)为基体，引入K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)构建多相共存结构，再通过Sr(Sc_0.5Ta_0.5)O₃(SST)实现A/B位高熵化。这种“化学掺杂+结构设计”的组合拳，成功在《Journal of Energy Storage》发表了突破性成果。

研究采用X射线衍射(XRD)、介电温谱、电滞回线等关键技术，结合第一性原理计算，系统分析了材料结构-性能关系。通过固相烧结法制备了(0.8-x)BNT-0.2KNN-xSST和(0.7-x)BNT-0.3KNN-xSST系列陶瓷，利用扫描电镜(SEM)观察微观形貌，并通过宽频介电阻抗谱仪测试介电性能。特别关注了极化纳米区(Polar Nanoregions, PNRs)的尺寸演变与动态行为。

相结构与微观形貌
XRD精修表明，SST的引入促使材料形成P4bm+Pm₃m+R3c三相共存结构。Rietveld精修显示，BNT-0.3KNN-0.15SST中三方相(R3c)占比达42.1%，这种多相协同效应有效降低了介电常数(ε_r)的温敏性。SEM显示晶粒尺寸控制在1-2μm，致密度>96%，为高击穿强度奠定基础。

介电性能与超顺电态
介电温谱揭示关键转变：SST将介电峰温度(T_m)降至室温以下，使材料在25°C即处于超顺电态。此时PNRs尺寸缩小至<10nm，动态响应特性使极化滞后显著降低。BNT-0.2KNN-0.2SST在1kHz下ε_r≈1250，损耗tanδ<0.02，优于多数报道的BNT基陶瓷。

储能性能突破
双极性电滞回线测试显示：

• BNT-0.2KNN-0.2SST在420kV/cm下实现W_rec=7.3J/cm³，η=95.2%
• BNT-0.3KNN-0.15SST在500kV/cm下达到W_rec=8.1J/cm³，η=91.4%
  这种“高储能+高效率”组合，首次在中等电场(<500kV/cm)实现商用化要求的性能指标。

环境稳定性

• 温域稳定性：20-240°C范围内W_rec波动<±8%，源于高熵设计抑制了相变导致的ε_r突变
• 疲劳稳定性：10⁶次循环后性能衰减<5%，归因于Sc³⁺/Ta⁵⁺对氧空位的钉扎效应

这项研究通过“高熵局域畸变+超顺电态PNRs调控”的协同机制，成功破解了储能材料“高密度-高效率-高稳定”不可兼得的困局。特别值得关注的是，材料在中等电场下的优异表现，可直接兼容现有工业设备，大幅降低系统改造成本。其宽温域特性使之适用于电动汽车、航空航天等极端环境，为“双碳”目标下的能源存储提供了中国方案。该成果不仅为新型储能材料设计提供范式，更推动介电电容器向小型化、智能化迈进关键一步。