文章导读
你正为电子设备的能源效率瓶颈而困扰，试图在高储能与低损耗之间艰难权衡。多数人认为反铁电材料注定效率低下，只能靠堆叠性能弥补缺陷。但我们发现，西安交大靳立团队的最新成果彻底颠覆了这一认知——他们让陶瓷电容器在接近极限电场下，同时实现23.2 J cm⁻³储能密度与98.1%效率，热损耗几乎消失。这一突破并非依赖新材料，而是通过“局域极化无序工程”重构了传统结构。关键在于，那种看似混乱的微观极化分布，为何反而能避免能量浪费？这种设计范式是否正在改写下一代电力系统的底层逻辑？
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随着脉冲功率电子、可再生能源以及高频电力系统的迅猛发展，具备高功率密度、快速充放电能力与长寿命优势的静电储能电容器，正成为先进能源技术领域的研究热点与应用焦点。然而，在多层陶瓷电容器（MLCC）体系中，可恢复储能密度（Wrec）与储能效率（η）之间长期存在显著的权衡关系，这一瓶颈问题始终制约着器件性能的进一步提升。尤其是在高电场强度与高频循环工况下，即便是微弱的极化损耗，也会在持续运行过程中逐步累积为焦耳热，导致器件内部温升及热应力集中，从而对其长期可靠性与服役寿命构成严峻挑战。在此背景下，如何在维持高可恢复储能密度的同时，将储能效率提升至接近无损（近100%）水平，已成为当前介电储能领域亟需突破的关键科学问题与技术瓶颈。
针对这一关键挑战，西安交通大学电信学部靳立教授团队联合国内合作者提出了一种“局域极化无序工程（Engineered local polarization disorder）”的全新设计策略，为突破储能密度与效率之间的固有制约关系提供了新的解决思路。在经典PbZrO3基反铁电陶瓷体系中，研究团队通过构建复合A位组分(Ba5/17Sr12/17)2+，引入适度的成分异质性，在维持反铁电调制结构整体稳定的同时，有效拓宽了局域极化矢量在方向与幅值上的分布范围。相场模拟结合实验结果表明，这种受控无序结构能够将反铁电-铁电相变对应的局域相变电场在空间尺度上实现分散，从而显著抑制极化滞后行为，并在此基础上保持较高的极化强度水平。进一步的原子尺度表征结果揭示，该体系呈现出一种“整体反铁电有序结构得以保留，而局域极化矢量实现适度离散”的调制型无序结构特征，从微观层面阐明了性能优化的内在机制。
局域极化无序与储能性能关系的示意图
a, b) 低/高储能效率器件内部的温度分布和热应力场模拟结果
c-e) 有序反铁电极化、调制无序极化和完全无序极化三类构型及其对应的极化统计分布与P-E曲线
基于上述设计策略，研究团队成功制备出高性能多层陶瓷电容器。在167 kV mm−1的高电场条件下，器件实现了23.2 J cm−3的可恢复储能密度和98.1%的超高储能效率，对应储能品质因数（WF）高达1220，整体性能显著优于当前已报道的同类MLCC体系，展现出突出的综合优势。与此同时，该器件在20–140 ℃宽温区、10–200 Hz频率范围以及长循环工况下均保持稳定运行，体现出优异的环境适应性与可靠性；其放电时间约为120 ns，具备典型的超快能量释放能力，满足高功率脉冲应用需求。研究进一步从“极化工程”的全新视角出发，系统揭示了局域极化无序与高电场可操作性之间的协同作用机制，实现了反铁电储能性能的整体优化。这一成果为突破传统反铁电材料中高储能密度与高效率难以兼得的瓶颈提供了重要思路，同时为AgNbO3、NaNbO3等典型反铁电体系的高性能设计提供了具有推广价值的范式。
BS5多层陶瓷电容器储能性能的综合评估
a) BS5-MLCC的截面微观结构及对应的元素分布图
b) 不同电场下测得的单极P-E曲线，最高电场达到167 kV mm⁻¹
c) 可恢复储能密度和储能效率随外加电场变化的关系
d)与先前报道的MLCC的性能对比
e)储能品质因数WF与目前先进的MLCC或块体陶瓷体系的比较
该研究成果近日发表于国际知名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。西安交通大学靳立教授、中国科学院上海硅酸盐研究所陈学峰教授、西安交通大学前沿院助理教授何利强，西南大学刘岗教授以及香港城市大学张树君教授共同担任通讯作者；西安交通大学电子科学与工程学院陈福康博士为第一作者，西安交大为第一通讯作者单位。该项研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72274-2
靳立教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ljin
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