介電陶瓷電容器憑借其高功率密度與快速充放電特性，在電磁軌道炮、激光武器等脈沖功率系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而，隨著電子設備不斷向小型化、集成化方向推進，其較低的能量密度成為制約該類器件進一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。近年來，科研人員通過高熵組分設計、多態(tài)弛豫相構(gòu)筑以及制備工藝優(yōu)化等策略，在提升介電陶瓷電容器室溫儲能性能方面取得了顯著進展。盡管如此，在航空航天、石油鉆井等極端高溫應用環(huán)境下，儲能器件需在嚴苛條件下穩(wěn)定工作，因此開發(fā)具有優(yōu)異高溫儲能性能的介電陶瓷材料成為當前亟待突破的重要方向。 
近期，西安交通大學前沿院婁曉杰教授團隊與合作者在鈦酸鉍鈉基弛豫鐵電陶瓷的A/B位引入異價異尺寸陽離子，有效提高了材料的構(gòu)型熵，進而增強了局域晶格應變的不均勻性。該策略顯著抑制了載流子的遷移，從而改善了陶瓷在高溫下的絕緣性能與儲能性能。研究表明，隨著構(gòu)型熵的增加，極化矢量明顯減小，并形成了局域多態(tài)共存的結(jié)構(gòu)特征，這一變化有效延遲了極化飽和。此外，晶粒尺寸的細化、帶隙的增大以及高溫漏導電流的顯著降低，共同促進了陶瓷擊穿場強的提升。最終，經(jīng)過優(yōu)化后的弛豫鐵電陶瓷在200 ℃實現(xiàn)了高達8 J/cm3的儲能密度。基于該陶瓷組分制備的多層陶瓷電容器，在-75~200 ℃的寬溫域內(nèi)，儲能密度始終保持在11 J/cm3以上，并呈現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，為極端環(huán)境下運行的脈沖功率設備提供了可靠的材料解決方案。本研究為設計高性能高溫介電儲能陶瓷電容器提供了新的思路。
以上研究成果以《熵調(diào)控非均勻應變在弛豫鐵電多層陶瓷電容器中實現(xiàn)優(yōu)異高溫儲能性能》(Ultra-high energy storage in relaxor ferroelectric MLCCs at elevated temperatures via entropy modulated strain heterogeneity)為題發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)。該論文第一單位是西安交通大學前沿院/學科交叉中心和金屬材料強度全國重點實驗室，西安交通大學前沿院助理教授康瑞瑞博士、西安交通大學電子與信息學部電子學院李洋博士和中國科學院上海硅酸鹽研究所助理研究員胡騰飛博士為共同第一作者，西安交通大學前沿院婁曉杰教授、西安交通大學電子與信息學部電子學院李飛教授和澳大利亞伍倫貢大學/香港城市大學張樹君教授為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費、博士后面上項目以及西安交通大學分析測試中心的支持。
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