高熵设计与超顺电态协同调控的BNT-KNN-SST陶瓷：中电场下实现卓越储能性能与宽温稳定性

为解决传统储能材料在极端环境下性能衰减的难题，中国科学院研究人员通过高熵设计和超顺电态调控策略，开发出Bi0.5Na0.5TiO3-K0.5Na0.5NbO3-Sr(Sc0.5Ta0.5)O3（BNT-KNN-SST）陶瓷体系。该材料在420 kV/cm中电场下实现Wrec >7 J/cm3和η>95%，兼具20–240°C宽温稳定性和106次循环疲劳寿命，为下一代电容器在苛刻环境中的应用提供新方案。

　　

全球气候变暖背景下，开发高效可靠的储能技术成为迫切需求。传统铅基材料虽性能优异但存在环境毒性，而无铅铁电陶瓷如Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT）虽具备高自发极化（P_s≥40 μC/cm²），却面临储能密度（W_rec）与效率（η）难以兼顾、高温稳定性不足（通常<150°C）和疲劳寿命短（约10⁴次循环）等瓶颈。更棘手的是，现有高性能材料多依赖高电场（>500 kV/cm），这既增加系统成本又降低安全性。

针对这些挑战，中国科学院的研究团队创新性地将高熵设计与超顺电态工程相结合，在BNT-K_0.5Na_0.5NbO₃（KNN）基体中引入Sr(Sc_0.5Ta_0.5)O₃（SST），构建出三组分协同的(0.8-x)BNT-0.2KNN-xSST和(0.7-x)BNT-0.3KNN-xSST陶瓷体系。通过X射线衍射（XRD）、介电温谱和电滞回线测试等技术，研究人员发现该体系在室温下形成P4bm+Pm₃m+R3c三相共存结构，成功将介电峰温度（T_m）降至室温以下，实现超顺电态。

关键方法
采用固相烧结法制备陶瓷样品，通过XRD分析相结构，结合介电性能测试和电滞回线测量评估储能特性，利用透射电镜（TEM）观察极化纳米区（PNRs）演变，并通过加速老化实验验证疲劳稳定性。

相结构与超顺电态调控
XRD结果显示（图2），SST的引入使衍射峰向低角度偏移，证实Sc³⁺/Ta⁵⁺成功掺入晶格。Rietveld精修表明BNT-0.2KNN-0.2SST形成三方相（R3c，44.7%）、四方相（P4bm，32.1%）和立方相（Pm₃m，23.2%）共存结构，这种多相畸变有效抑制了介电常数随温度的剧烈波动。

储能性能突破
在420 kV/cm中电场下，BNT-0.2KNN-0.2SST获得W_rec>7 J/cm³和η>95%的优异性能（图3）。第一性原理计算揭示，高熵效应引起的局部应力场使氧八面体倾斜能垒提高至1.12 eV，显著降低极化反转损耗。

极端环境稳定性
该材料在20–240°C范围内W_rec波动<8%（图5），优于文献报道的BNT-BT体系（20–120°C）。通过缺陷化学分析发现，Sr²⁺可补偿A位空位，Sc³⁺/Ta⁵⁺则稳定B位配位，使疲劳寿命突破10⁶次循环（图6）。

这项研究通过高熵设计诱导局部多型畸变，结合超顺电态工程调控PNRs动力学，首次在中等电场下同步实现高W_rec、超高η、宽温稳定性和长寿命。Wu等的工作为无铅储能陶瓷的实际应用提供了范式：BNT-0.3KNN-0.15SST在500 kV/cm下W_rec~8 J/cm³且η>91%，其性能参数已接近商用Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）薄膜水平。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为开发适应极端环境的下一代储能器件奠定基础。