近日，西安交通大學前沿院教授婁曉杰課題組在提升鈦酸鉍鈉基多層陶瓷電容器的高溫儲能性能方面取得新進展。團隊與合作者在鈦酸鉍鈉基弛豫鐵電陶瓷的A/B位引入異價異尺寸陽離子，有效提高了材料的構型熵，進而增強了局域晶格應變的不均勻性。該策略顯著抑制了載流子的遷移，從而改善了陶瓷在高溫下的絕緣性能與儲能性能。研究成果發表在《自然通訊》。
介電陶瓷電容器憑借其高功率密度與快速充放電特性，在電磁軌道炮、激光武器等脈沖功率系統中展現出廣闊的應用前景。然而，隨著電子設備不斷向小型化、集成化方向推進，其較低的能量密度成為制約該類器件進一步發展的關鍵瓶頸。近年來，科研人員通過高熵組分設計、多態弛豫相構筑以及制備工藝優化等策略，在提升介電陶瓷電容器室溫儲能性能方面取得了顯著進展。盡管如此，在航空航天、石油鉆井等極端高溫應用環境下，儲能器件需在嚴苛條件下穩定工作，因此開發具有優異高溫儲能性能的介電陶瓷材料成為當前亟待突破的重要方向。
研究表明，隨著構型熵的增加，極化矢量明顯減小，并形成了局域多態共存的結構特征，這一變化有效延遲了極化飽和。此外，晶粒尺寸的細化、帶隙的增大以及高溫漏導電流的顯著降低，共同促進了陶瓷擊穿場強的提升。
最終，優化后的弛豫鐵電陶瓷在200℃下實現高達8焦耳/立方厘米的儲能密度。以此陶瓷組分制備的多層陶瓷電容器，在-75~200℃的寬溫域內，儲能密度均高于11焦耳/立方厘米，并表現出優異的循環穩定性，為極端環境下的脈沖功率設備提供了可靠的材料解決方案。本研究為高性能高溫介電儲能陶瓷的設計提供了新思路。