【儀表網 研發快訊】隨著脈沖功率電子、可再生能源以及高頻電力系統的迅猛發展，具備高功率密度、快速充放電能力與長壽命優勢的靜電儲能電容器，正成為先進能源技術領域的研究熱點與應用焦點。然而，在多層陶瓷電容器(MLCC)體系中，可恢復儲能密度(Wrec)與儲能效率(η)之間長期存在顯著的權衡關系，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工況下，即便是微弱的極化損耗，也會在持續運行過程中逐步累積為焦耳熱，導致器件內部溫升及熱應力集中，從而對其長期可靠性與服役壽命構成嚴峻挑戰。在此背景下，如何在維持高可恢復儲能密度的同時，將儲能效率提升至接近無損(近100%)水平，已成為當前介電儲能領域亟需突破的關鍵科學問題與技術瓶頸。
針對這一關鍵挑戰，西安交通大學電信學部靳立教授團隊聯合國內合作者提出了一種“局域極化無序工程(Engineered local polarization disorder)”的全新設計策略，為突破儲能密度與效率之間的固有制約關系提供了新的解決思路。在經典PbZrO3基反鐵電陶瓷體系中，研究團隊通過構建復合A位組分(Ba5/17Sr12/17)2+，引入適度的成分異質性，在維持反鐵電調制結構整體穩定的同時，有效拓寬了局域極化矢量在方向與幅值上的分布范圍。相場模擬結合實驗結果表明，這種受控無序結構能夠將反鐵電-鐵電相變對應的局域相變電場在空間尺度上實現分散，從而顯著抑制極化滯后行為，并在此基礎上保持較高的極化強度水平。進一步的原子尺度表征結果揭示，該體系呈現出一種“整體反鐵電有序結構得以保留，而局域極化矢量實現適度離散”的調制型無序結構特征，從微觀層面闡明了性能優化的內在機制。
基于上述設計策略，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，器件實現了23.2 J cm−3的可恢復儲能密度和98.1%的超高儲能效率，對應儲能品質因數(WF)高達1220，整體性能顯著優于當前已報道的同類MLCC體系，展現出突出的綜合優勢。與此同時，該器件在20–140 ℃寬溫區、10–200 Hz頻率范圍以及長循環工況下均保持穩定運行，體現出優異的環境適應性與可靠性；其放電時間約為120 ns，具備典型的超快能量釋放能力，滿足高功率脈沖應用需求。研究進一步從“極化工程”的全新視角出發，系統揭示了局域極化無序與高電場可操作性之間的協同作用機制，實現了反鐵電儲能性能的整體優化。這一成果為突破傳統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計提供了具有推廣價值的范式。
該研究成果近日發表于國際知名學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。西安交通大學靳立教授、中國科學院上海硅酸鹽研究所陳學峰教授、西安交通大學前沿院助理教授何利強，西南大學劉崗教授以及香港城市大學張樹君教授共同擔任通訊作者；西安交通大學電子科學與工程學院陳福康博士為第一作者，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基金、中國博士后科學基金以及中央高校基本科研業務費等項目的支持。
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