基于高熵设计与超顺电态调控的BNT-KNN-SST陶瓷在中等电场下实现协同高性能储能

为应对极端环境下高效储能器件的迫切需求，研究人员通过将高熵工程与超顺电态调控策略协同应用于BNT-KNN-SST陶瓷体系，成功在中等电场（300-500 kV/cm）下实现高可恢复能量密度（Wrec~8 J/cm3）、超高效率（η>95%）以及卓越的温度稳定性（20-240°C）和抗疲劳性（≥106次循环），为下一代电容器设计提供了新材料范式。

　　

随着全球能源转型的加速，高效、稳定的介电储能材料成为制约新能源技术发展的关键瓶颈。传统铅基陶瓷虽性能优异但存在环境风险，而无铅Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)基材料往往面临储能密度(W_rec)与效率(η)难以兼顾、高温稳定性差（通常<150°C）以及高电场需求（>500 kV/cm）等挑战。更棘手的是，材料在反复充放电过程中易因缺陷聚集导致性能衰减，严重限制其实际应用。

针对这一系列难题，中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号2652022403）支持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Sr(Sc_0.5Ta_0.5)O₃(SST)引入BNT-KNN体系，成功开发出兼具高储能性能和极端环境耐受性的陶瓷材料。相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上，为解决储能器件的"性能-环境-成本"三角矛盾提供了新思路。

研究团队采用三项关键技术：1）固相烧结法构建(0.8-x)BNT-0.2KNN-xSST梯度组分；2）X射线衍射（XRD）与介电谱分析相变行为；3）高压电滞回线测试评估储能性能。通过精确调控组分比例，实现了材料在原子尺度的多相协同与性能优化。

相结构与介电性能
XRD分析显示，SST的引入促使陶瓷形成R3c（菱方相）、P4bm（四方相）和Pm^ˉ3m（立方相）三相共存结构。当SST含量达20%时，介电常数温度谱出现典型弛豫特征，冻结温度T_f降至-50°C以下，证实室温超顺电态的形成。这种多相共存结构有效抑制了介电常数的温度波动，使材料在20-240°C范围内介电变化率<10%。

储能性能突破
在420 kV/cm中等电场下，BNT-0.2KNN-0.2SST展现出W_rec>7 J/cm³和η>95%的卓越性能。进一步提高电场至500 kV/cm时，BNT-0.3KNN-0.15SST实现W_rec~8 J/cm³且η保持91%以上。这种"高储能+高效率"的组合源于超顺电态中高度动态的极化纳米区(PNRs)，其尺寸减小至晶格尺度（<5 nm），显著降低极化反转能耗。

环境稳定性机制
高熵设计引入的Sr²⁺/Sc³⁺/Ta⁵⁺多价态离子产生局部应力场，不仅抑制元素偏析，还通过补偿氧空位缺陷将疲劳寿命提升至10⁶次循环以上。同步辐射分析证实，这种"化学钉扎"效应能有效阻碍缺陷迁移聚集，这是材料兼具宽温域稳定性和长寿命的关键。

该研究通过多尺度调控策略，成功打破传统储能陶瓷"高性能依赖高电场"的桎梏。所开发的材料体系在中等电场下即实现与铅基材料相当的储能密度，同时具备商用电容器所需的宽温域工作能力和循环稳定性。特别是将超顺电态工程与高熵效应协同的创新思路，为新型无铅储能材料设计提供了普适性方法论，对推动新能源汽车、智能电网等领域的器件革新具有重要价值。