高熵设计与超顺电态协同调控BNT-KNN-SST陶瓷的中等电场储能性能研究

为应对高效可靠储能器件的迫切需求，研究人员通过高熵设计与超顺电态工程协同策略，在BNT-KNN-SST陶瓷中实现了中等电场下优异的综合储能性能。该研究获得Wrec>7 J/cm3、η>95%（420 kV/cm）和Wrec~8 J/cm3、η>91%（500 kV/cm）的突破性成果，同时具备宽温区稳定性（20–240°C）和超长循环寿命（≥106次），为极端环境应用的下一代电容器提供了新材料体系。

　　

随着全球能源转型加速，介电电容器因超高功率密度和毫秒级充放电能力，在新能源电网和电动汽车等领域备受青睐。然而传统陶瓷材料面临两大瓶颈：一是高储能密度(W_rec)往往需要>500 kV/cm的强电场，大幅增加系统成本和绝缘风险；二是难以兼顾宽温区稳定性和长循环寿命。以Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)为基础的弛豫铁电体(RFE)虽具有高自发极化(Ps≥40 μC/cm²)，但存在温度稳定性差(<150°C)、疲劳寿命短(约10⁴次)等缺陷。

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的研究团队创新性地提出"高熵设计+超顺电态"双轨策略。通过将K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)和Sr(Sc_0.5Ta_0.5)O₃(SST)引入BNT基体，构建了P4bm+Pm₃m+R3c三相共存结构。这种设计使冻结温度T_f低于室温，形成具有动态极化纳米区(PNRs)的超顺电态，同时利用Sc³⁺/Ta⁵⁺补偿氧空位缺陷。相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上。

研究采用X射线衍射(XRD)、介电温谱、铁电分析等技术，系统表征了材料结构-性能关系。通过固相烧结法制备(0.8-x)BNT-0.2KNN-xSST系列陶瓷，利用精修计算确定相组成，结合TEM观察PNRs尺寸分布，并通过有限元模拟分析局域电场分布。

Results and discussion

1. 结构表征显示：SST掺杂使(200)衍射峰左移，晶格膨胀率Δa/a达0.41%。Rietveld精修证实三方相(R3c)含量从x=0时的72.3%降至x=0.2时的34.8%，立方相(Pm₃m)占比提升至52.6%，形成多相共存结构。
2. 介电性能测试表明：BNT-0.2KNN-0.2SST在20-240°C区间介电常数变化率<±8%，显著优于传统BNT-BT体系(Δε_r/ε_r≈15%@120°C)。
3. 储能特性分析：动态PNRs使极化滞后降低至<5°，BNT-0.3KNN-0.15SST在500 kV/cm下实现W_rec=8.02 J/cm³，η=91.4%，击穿场强提升37%（相较未掺杂样品）。

Conclusions
该研究开创性地实现了三大突破：

1. 中等电场优势：在<500 kV/cm场强下获得W_rec>7 J/cm³，规避了高压系统的安全隐患；
2. 环境适应性：20-240°C温区内性能波动<10%，满足车载电容器(-40~125°C)等严苛需求；
3. 寿命革命：10⁶次循环后W_rec衰减<3%，远超同类材料(通常10⁴次衰减>20%)。

这项工作为发展"高储能-高效率-高稳定"三位一体的介电材料提供了新范式，其"高熵稳定晶格，超顺电优化极化"的设计理念，可拓展至其他功能陶瓷体系。