熵辅助多晶型域工程增强无铅多层电容器储能性能

本刊编辑推荐：为解决无铅多层陶瓷电容器(MLCCs)能量密度低、效率不佳的问题，研究人员通过逐步双位点熵增策略开发了高熵Bi0.5Na0.5TiO3基电容器。该研究实现了17.8 J cm?3的超高储能密度和97.6%的效率，同时展现出优异的热稳定性和疲劳稳定性，为高性能弛豫铁电材料设计提供了新范式。

　　

在追求环境可持续性和设备小型化的今天，高性能无铅多层陶瓷电容器（MLCCs）已成为脉冲功率系统中不可或缺的核心元件。然而，传统MLCCs面临着固有的低能量密度和欠佳的能量效率两大瓶颈，严重制约了其在电动汽车、便携式电子设备和医疗设备等领域的实际应用。特别是在弛豫铁电体（RFEs）中，极性纳米区（PNRs）之间的耦合效应会导致过早极化饱和，而高最大极化（P_m）又往往伴随着击穿强度（E_b）的下降，这种此消彼长的关系使得同时获得高储能密度（W_rec）和高效率（η）变得异常困难。

近日，《Nature Communications》发表了一项突破性研究，通过创新的逐步双位点熵增策略，成功实现了无铅MLCCs储能性能的跨越式提升。该研究由陕西师范大学材料科学与工程学院和中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料与器件重点实验室的联合团队完成，通过精巧的熵辅助多晶型域工程，同时解决了极化饱和过早和击穿强度不足的难题。

研究团队采用的主要技术方法包括：通过固相反应法合成高熵陶瓷材料；利用流延成型技术制备多层陶瓷电容器；借助X射线衍射（XRD）和拉曼光谱进行晶体结构分析；通过像差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察原子尺度结构；采用压电力显微镜（PFM）研究畴结构和行为；使用精密LCR表测量介电性能；并通过商业充放电平台评估实际充放电性能。

能量存储能力提升

研究团队设计制备的熵辅助MLCCs具有致密的微观结构和清晰的介电-电极界面。

在125 kV mm^?1的电场下，MLCCs表现出17.8 J cm^?3的优异可恢复能量密度和97.6%的高效率，这一性能远超最近报道的大多数最先进无铅MLCCs。同时，该器件还展现出742的优异品质因数（U_F = W_rec/(1-η)），显著优于最好的铅基系统和其他先进无铅MLCCs。

双位点熵增策略的效果

通过研究双步熵增策略对BNT基材料的影响，团队发现随着熵值的增加，材料的性能逐步提升。未掺杂的BNT陶瓷表现出典型的方形铁电滞后回线，而BNSLT陶瓷显示出细长回线，表明弛豫行为。高熵BNSLTMZ陶瓷则表现出显著延迟的极化饱和和80 kV mm^?1的显著增强击穿强度，同时保持高η，实现了12.1 J cm^?3的W_{rec和89.2%的η。}

结构起源分析

原子尺度结构分析揭示了性能增强的深层机制。HAADF-STEM观察显示，高熵组分中存在菱形（R）、四方（T）和立方（C）多晶型域的共存，这些域在电场下表现出不一致的响应，需要更高的电场驱动所有域达到饱和极化状态，从而延迟极化饱和。

同时，多样的极化配置增强了极化的方向性和强度，使材料能够保持高P_m。过渡区域的存在促进了极化旋转，降低了极化各向异性和域切换能垒。

晶格畸变与电学性能

定量评估显示，高熵组分表现出明显的晶格畸变，c/a比平均值从1.23变为1.02，且分布随机离散，标准偏差为0.040。

这种晶格畸变源于高熵诱导的原子无序，同时提高了晶粒生长的能垒，使平均晶粒尺寸从2.01 μm减小到0.67 μm。细晶微观结构增强了电阻，从80 kΩ增加到450 kΩ，并在宽温度范围内保持极低电导率。

稳定性与充放电性能

熵辅助MLCCs表现出优异的工作稳定性。在0-100°C的宽温度范围内，W_rec和η分别保持在12.80±0.15 J cm^?3和95.49±1.11%。在10-100 Hz的频率范围内，W_rec和η的变化极小，分别为12.84±0.13 J cm^?3和95.87±1.49%。此外，MLCCs还表现出优异的抗疲劳性，在10⁵次循环测量后仍保持稳定的ESP。

实际充放电性能评估显示，MLCCs在70 kV mm^?1的电场下实现了超过5.6 J cm^?3的放电能量密度（W_d）， accompanied by 0.83 μs的短t_0.9时间。同时，器件实现了311 A cm^?2的高电流密度和108 MW cm^?3的卓越功率密度。

本研究通过创新的逐步双位点熵辅助工程策略，显著增强了BNT基无铅MLCCs的储能性能。该方法有效调节了相演化和弛豫铁电行为，使高熵MLCCs实现了17.8 J cm^?3的优异W_{rec和97.6%的高η。原子尺度分析证实，菱形、四方和立方多晶型域的共存对延迟极化饱和同时保持高Pm起着关键作用。熵诱导的非周期性晶格畸变有助于晶粒细化和改善电阻，显著提高了Eb。除了核心性能指标外，MLCCs在宽温度范围、频率范围和疲劳循环下表现出卓越的工作稳定性，凸显了其在苛刻环境中的稳健性。总体而言，该研究为先进脉冲功率应用提供了一种高性能、环境可持续的材料，并建立了开发具有增强储能特性的下一代弛豫铁电材料的通用实用设计策略。}