電媒體電容器因其獨特的極化儲能機制，具有超快的充放電速度、超高的功率密度、高工作電壓、穩定性好等優勢，在電子資訊、航天航空以及國防軍工高新技術領域中具有廣泛的應用。更為重要的，電媒體電容器是高功率脈沖技術的核心器件，有着不可替代的地位，在核爆模拟、高功率脈沖雷射器、電磁軌道炮、電磁彈射等現代重大科學研究計劃、國防高技術領域具有重大戰略需求。然而，電媒體電容器的儲能密度相對較低，如何開發具有更高儲能密度并兼具高效率的電媒體電容器是目前需要解決的主要問題，也是當今材料科學研究的一個前沿和熱點。
今天，Science線上刊發了題為“Ultrahigh energy-storage in high-entropy ceramic capacitors with polymorphic relaxor phase”的研究論文，報道了清華大學林元華教授、南策文院士研究團隊在多層陶瓷電容器研究方面的最新進展，他們通過對钛酸鋇（BaTiO3）基體系進行多态弛豫相和高熵的協同設計，進一步實作了儲能性能的綜合提升，獲得了20.8 J cm-3的超高儲能密度和97.5%的超高儲能效率。
在鐵電材料中，具有不同宏觀對稱性鐵電相的準同型/多晶型相界（MPB/PPB）可以有效地降低極化各向異性，促進極化旋轉，是以在增強壓電性能方面得到了廣泛認可。将MPB/PPB結構用于弛豫鐵電材料設計，可能有助于進一步減小疇翻轉勢壘并實作更高的儲能性能。與典型鐵電材料不同的是，弛豫鐵電材料可能不會表現出傳統定義的MPB/PPB結構，因為它們的特征是彌散相變（具有局部極性納米疇，但宏觀表現為非極性立方對稱性）。然而，在弛豫鐵電材料中，實作具有不同局部對稱性的納米疇是可能的（此處定義為多态弛豫相（PRP））。從熱力學的角度來看，這種PRP結構中的極化各向異性和疇翻轉勢壘可以被進一步削弱，進而有效減少滞回損耗。此外，基于PRP結構進行高熵設計，高熵引起的大晶格畸變和較小的晶粒尺寸可以有效增強載流子傳輸勢壘，這有助于大大提高擊穿強度。是以，這種結合PRP和高熵設計的協同政策可能實作超高的儲能密度和效率。
為實作PRP結構，研究者設計了四方相BaTiO3和菱方相鐵酸铋（BiFeO3）的固溶複合。考慮到四方相BaTiO3在商業電媒體中的廣泛應用，使用四方相BaTiO3作為主相。為了增強極化，将具有大的自發極化強度的菱方相BiFeO3摻入BaTiO3中，以形成PRP結構。此外，在A和B位點引入了多種元素來調節構型熵，即Na+、Ca2+、Sr2+和Sm3+作為A位摻雜劑，Zr4+作為B位摻雜劑。通過X射線衍射、拉曼光譜和掃描透射電子顯微鏡證明了所提出的多态弛豫相（圖1）。
圖1. BaTiO3基陶瓷的相結構和疇結構
為了闡明高熵的影響，利用掃描電子顯微鏡對材料的微結構進行了表征，發現随着熵的增加，晶粒尺寸逐漸減小。他們還使用掃描透射電子顯微鏡揭示了c/a比的局域分布，進而證明了大的晶格畸變。得益于高熵效應引起的晶格畸變和晶粒細化，擊穿強度得到顯著提升（圖2）。
圖2. BaTiO3基陶瓷晶粒、晶格畸變和儲能性能
最終，通過對BaTiO3基多層陶瓷電容器的多态弛豫相和高熵的協同設計，實作了最優的儲能性能，即儲能密度為20.8 J cm-3，儲能效率為97.5% （@1094 kV cm-1），并且該多層陶瓷電容器還具有較好的充放電循環穩定性（一千萬次循環後性能衰減小于2%）和寬溫區的溫度穩定性以及較快的充放電速度，表現出卓越的綜合儲能性能（圖3）。
圖3. BaTiO3基多層陶瓷電容器的儲能性能
清華大學材料學院博士後張敏為文章的第一作者，林元華教授為文章的通訊作者。論文重要合作者還包括清華大學材料學院南策文院士、谷林教授、易迪副教授，中科院實體所張慶華研究員，加州大學伯克利分校潘豪博士，清華大學未來實驗室陳迪副研究員，佛山（華南）新材料研究院蘇杭工程師，材料學院博士後藍順、楊兵兵、戚俊磊、蔡洪東，以及博士生劉亦謙、楊嶽洋、韋睿、韓浩傑。本工作得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、國家重點研發計劃等的資助。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2931