Ультравысокая плотность и КПД накопления энергии в керамике на основе AgNbO3 за счёт перколирующего взаимодействия между антиполярными областями и парами дефектов

Почему важны более совершенные конденсаторы

От электромобилей, которым нужны кратковременные мощные импульсы энергии, до миниатюрной электроники, требующей надежной работы при низких температурах — современным технологиям нужны конденсаторы, способные быстро и эффективно накапливать и отдавать энергию. Лучшие на сегодня диэлектрические конденсаторы вынуждены идти на компромисс между объёмом сохраняемой энергии, потерями в виде тепла и стабильностью работы в широком диапазоне температур. В этой работе предложен способ превзойти эти ограничения с помощью тщательно сконструированной безсвинцовой керамики на основе ниобата серебра, что открывает перспективу для более компактных, безопасных и надёжных энергокомпонентов.

Преобразование атомного порядка в полезную энергию

В основе работы лежит класс материалов, называемых антиферроэлектриками. В этих кристаллах крошечные электрические диполи в решётке ориентируются в противоположных направлениях так, что материал в целом выглядит неполярным. Под действием сильного электрического поля противоположно направленные диполи могут внезапно выровняться, вызвав большой скачок поляризации и, как следствие, значительный объём накапливаемой электрической энергии. Однако такое переключение обычно происходит резко, сопровождается потерями и чувствительно к температуре, что ограничивает практическое применение. Авторы сосредотачиваются на хорошо известном безсвинцовом антиферроэлектрике AgNbO3 и исследуют, можно ли переработать его атомную структуру так, чтобы он хранил больше энергии, терял меньше и оставался стабильным от сильного холода до высокой температуры.

Создание полезных дефектов на атомном уровне

Команда сочетает квантово‑механические расчёты и мезомасштабные моделирования, чтобы понять, что происходит при введении в решётку AgNbO3 небольших количеств лития (Li) и тантала (Ta). Литий замещает часть атомов серебра, а тантал — часть ниобия. Расчёты показывают, что когда Li и Ta находятся рядом, они образуют сильно связанные «пары дефектов», которые исказуют окружающие октаэдры кислорода и поворачивают близлежащие электрические диполи. Вместо разрушения порядка это вращение дробит длинные непрерывные антиферроэлектрические полосы на тонко раздробленную смесь крошечных антиполярных и полярных областей. В результате возникает новое состояние, которое авторы называют повернутым антиферроэлектрическим (RAFE) состоянием, формирующим перколирующую сеть по всему кристаллу.

Моделирование пути к высокой плотности и низким потерям

С помощью фазо‑полевых симуляций исследователи затем изучают, как эта RAFE‑сеть реагирует на электрические поля. При увеличении концентрации Ta в Li‑легированном AgNbO3 симуляции предсказывают, что антиферроэлектрические и ферроэлектрические домены уменьшаются до наноразмера, и их движение всё больше ограничивается повернутыми регионами. Это имеет два ключевых следствия: гистерезис в петле «поляризация — электрическое поле» сильно уменьшается, то есть меньше энергии теряется в виде тепла, и материал выдерживает значительно более высокие электрические поля до пробоя. В оптимальном составе модель предсказывает восстанавливаемую плотность накопления энергии, близкую к 16 Дж/см³, с КПД выше 95% при сохранении сильной поляризации при высоких полях.

Создание и испытание оптимизированной керамики

Ориентируясь на расчёты, авторы синтезируют серию керамик с формулой (Ag0.95Li0.05)(Nb1−xTax)O3, варьируя содержание Ta. Электрические измерения подтверждают многие предсказанные тенденции. С повышением доли Ta характерная двойная петля антиферроэлектриков становится уже, а напряжение, необходимое для переключения, увеличивается, в то время как потери энергии (определяемые площадью петли и электрическим гистерезисом) резко снижаются. Лучший состав, Ag0.95Li0.05Nb0.35Ta0.65O3, демонстрирует восстанавливаемую плотность накопления энергии 12,8 Дж/см³ с эффективностью 90% при комнатной температуре — одно из лучших значений для безсвинцовых массивных керамик. Важно, что прочность на пробой также растёт, достигая примерно 760 кВ/см в экспериментах, что позволяет работать при столь высоких плотностях энергии.

Стабильность от сильного холода до высокой температуры

Помимо пиковой производительности, конденсаторы должны надёжно работать при изменении температуры. Диэлектрические и структурные измерения показывают, что в композициях с высокой долей Ta сосуществование антивероэлектрических и ферроэлектрических нанорегионов сохраняется в широком диапазоне температур и не разрушается резкими переходами. Температура «замерзания», при которой эти нанодомены становятся вялыми, смещается далеко ниже комнатной, что означает, что диполи остаются подвижными и быстро реагируют на поля даже в холоде. В лучшем составе восстанавливаемая энергия изменяется лишь незначительно между −70 °C и 170 °C, сохраняя около 90% от максимума в интервале примерно 240 °C — значительно шире, чем у большинства сопоставимых безсвинцовых материалов.

Что это значит для будущих устройств

Для неспециалистов основной вывод таков: была создана безсвинцовая керамика, способная накапливать большие количества электрической энергии, эффективно её отдавать и сохранять эти свойства в широком температурном диапазоне — от субарктических до высоких рабочих температур под капотом. За счёт целенаправленного введения пар легирующих атомов в кристалл и использования их дальнодействующего влияния на малые электрические диполи исследователи получают тонко настроенное «фрустрированное» состояние, сочетающее высокую поляризацию и низкие потери. Эта стратегия проектирования — использование сетей дефектов для перестройки нанодоменных паттернов — может быть распространена на другие оксидные керамики и предложить общий путь к компактным высокомощным конденсаторам для электромобилей, импульсных энергетических систем и передовой электроники.

Цитирование: He, L., Zhang, L., Ran, Y. et al. Ultrahigh energy storage density and efficiency in AgNbO₃-based ceramics by percolating interaction between antipolar regions and defect pairs. Nat Commun 17, 1582 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68297-4

Ключевые слова: безсвинцовые конденсаторы, антиферroelectric керамики, плотность накопления энергии, нитрид серебра, диэлектрические материалы