近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院楊海波教授團隊，在國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》（IF：26）上發(fā)表了題為“High Entropy-Driven Large Capacitive Energy Storage in BaTiO₃-Based Multilayer Ceramic Capacitors”的研究論文，并被選為當(dāng)期Front Cover（前封面）。我校李達博士后，楊海波教授，湖北大學(xué)郭金明教授和南京航空航天大學(xué)王婧教授為共同通訊作者，陜西科技大學(xué)材料學(xué)院博士生鄭秉龍，電智學(xué)院袁啟斌副教授和材料學(xué)院林營教授為共同第一作者，陜西科技大學(xué)為第一通訊單位。

隨著5G基站、航天器載荷等高頻高功率電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，對多層陶瓷電容器（MLCCs）提出了更高的性能要求，尤其是在體積功率密度、儲能效率與熱穩(wěn)定性方面。傳統(tǒng)鐵電陶瓷材料如BaTiO₃雖具備較高極化強度，但其疇翻轉(zhuǎn)滯后損耗大、擊穿場強有限，導(dǎo)致實際儲能密度遠(yuǎn)低于理論值。

圖1、相場模擬熵驅(qū)動的微觀疇結(jié)構(gòu)演化

為突破上述瓶頸，研究者們嘗試通過構(gòu)建納米疇結(jié)構(gòu)、優(yōu)化化學(xué)組成、設(shè)計核殼結(jié)構(gòu)、調(diào)控電場均一性等手段提升儲能性能。然而，這些方法在提升最大極化（P_max）與擊穿場強（E_b）的同時，往往難以兼顧低剩余極化（P_r）與高儲能效率（η），且熱穩(wěn)定性仍不理想。針對上述問題，陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊海波教授團隊以BaTiO₃為基體，采用相場模擬指導(dǎo)高熵設(shè)計策略，選取Na⁺、Sr²⁺、Ca²⁺、Bi³⁺作為A位摻雜離子，選取Zn²⁺、Zr⁴⁺、Ta⁵⁺、Nb⁵⁺作為B位摻雜離子。通過固相燒結(jié)工藝，最終制備出具有梯度構(gòu)型熵的BaTiO3基高熵陶瓷體系，如圖1所示。利用原子級高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）進行表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A/B位多元素共占位現(xiàn)象誘導(dǎo)產(chǎn)生了顯著的晶格畸變，有效促成了T-R-C多相共存的局域極化構(gòu)型，如圖2所示。而這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)能夠有效降低材料的極化各向異性與電疇翻轉(zhuǎn)勢壘，為后續(xù)儲能性能的優(yōu)化奠定了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，研究團隊利用構(gòu)型熵值為2.13R的高熵陶瓷粉體制備出具有優(yōu)良的燒結(jié)質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的MLCCs原型器件。在1065 kV·cm^-1的高電場強度下，2.13R-MLCCs展現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合儲能性能（W_rec ~ 17.2 J·cm^-3，η ~ 95.5%），且在寬溫區(qū)與長循環(huán)條件下性能穩(wěn)定，如圖3所示。該研究系統(tǒng)揭示了構(gòu)型熵與極化構(gòu)型、儲能性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為高性能MLCCs的設(shè)計與產(chǎn)業(yè)化提供了新思路和技術(shù)路徑。

圖2、2.13R高熵陶瓷局域結(jié)構(gòu)解析

圖3、2.13R-MLCCs在不同測試條件下（電場、溫度和循環(huán)次數(shù)）的儲能特性

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202504126

（核稿：伍媛婷 編輯：趙誠）