【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著脈沖功率電子、可再生能源以及高頻電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，具備高功率密度、快速充放電能力與長壽命優(yōu)勢的靜電儲能電容器，正成為先進能源技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點與應(yīng)用焦點。然而，在多層陶瓷電容器(MLCC)體系中，可恢復(fù)儲能密度(Wrec)與儲能效率(η)之間長期存在顯著的權(quán)衡關(guān)系，這一瓶頸問題始終制約著器件性能的進一步提升。尤其是在高電場強度與高頻循環(huán)工況下，即便是微弱的極化損耗，也會在持續(xù)運行過程中逐步累積為焦耳熱，導(dǎo)致器件內(nèi)部溫升及熱應(yīng)力集中，從而對其長期可靠性與服役壽命構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，如何在維持高可恢復(fù)儲能密度的同時，將儲能效率提升至接近無損(近100%)水平，已成為當(dāng)前介電儲能領(lǐng)域亟需突破的關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)瓶頸。
 

　　針對這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)電信學(xué)部靳立教授團隊聯(lián)合國內(nèi)合作者提出了一種“局域極化無序工程(Engineered local polarization disorder)”的全新設(shè)計策略，為突破儲能密度與效率之間的固有制約關(guān)系提供了新的解決思路。在經(jīng)典PbZrO3基反鐵電陶瓷體系中，研究團隊通過構(gòu)建復(fù)合A位組分(Ba5/17Sr12/17)2+，引入適度的成分異質(zhì)性，在維持反鐵電調(diào)制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的同時，有效拓寬了局域極化矢量在方向與幅值上的分布范圍。相場模擬結(jié)合實驗結(jié)果表明，這種受控?zé)o序結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒎磋F電-鐵電相變對應(yīng)的局域相變電場在空間尺度上實現(xiàn)分散，從而顯著抑制極化滯后行為，并在此基礎(chǔ)上保持較高的極化強度水平。進一步的原子尺度表征結(jié)果揭示，該體系呈現(xiàn)出一種“整體反鐵電有序結(jié)構(gòu)得以保留，而局域極化矢量實現(xiàn)適度離散”的調(diào)制型無序結(jié)構(gòu)特征，從微觀層面闡明了性能優(yōu)化的內(nèi)在機制。
 

　　基于上述設(shè)計策略，研究團隊成功制備出高性能多層陶瓷電容器。在167 kV mm−1的高電場條件下，器件實現(xiàn)了23.2 J cm−3的可恢復(fù)儲能密度和98.1%的超高儲能效率，對應(yīng)儲能品質(zhì)因數(shù)(WF)高達1220，整體性能顯著優(yōu)于當(dāng)前已報道的同類MLCC體系，展現(xiàn)出突出的綜合優(yōu)勢。與此同時，該器件在20–140 ℃寬溫區(qū)、10–200 Hz頻率范圍以及長循環(huán)工況下均保持穩(wěn)定運行，體現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性；其放電時間約為120 ns，具備典型的超快能量釋放能力，滿足高功率脈沖應(yīng)用需求。研究進一步從“極化工程”的全新視角出發(fā)，系統(tǒng)揭示了局域極化無序與高電場可操作性之間的協(xié)同作用機制，實現(xiàn)了反鐵電儲能性能的整體優(yōu)化。這一成果為突破傳統(tǒng)反鐵電材料中高儲能密度與高效率難以兼得的瓶頸提供了重要思路，同時為AgNbO3、NaNbO3等典型反鐵電體系的高性能設(shè)計提供了具有推廣價值的范式。
 

　　該研究成果近日發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。西安交通大學(xué)靳立教授、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳學(xué)峰教授、西安交通大學(xué)前沿院助理教授何利強，西南大學(xué)劉崗教授以及香港城市大學(xué)張樹君教授共同擔(dān)任通訊作者；西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院陳?？挡┦繛榈谝蛔髡?，西安交大為第一通訊作者單位。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。