构建超级弛豫体临界态以实现无铅介电陶瓷的巨量能量存储

为未来电子设备供能

现代电子设备和电网需要能够瞬间存储并释放能量的元件——想想电动汽车、脉冲激光器或比眨眼还快的保护电路。本文介绍了一种设计陶瓷材料的新方法，这类材料像微小的超快速可充电电容器。作者展示了如何通过精心设计的无铅陶瓷，在小体积内储存大量能量且几乎不以热量浪费，从而可能实现更小、更安全、更高效的电力系统。

为何在陶瓷中存储能量很困难

陶瓷电容器通过在线性电压作用下使电偶极子——材料内部的小型电荷分离——排列来存储能量。要获得高能量密度，需要强极化（大量偶极子朝同一方向）和高击穿场（材料能承受大电场）。但存在一个矛盾：当电压移除后，许多材料不会完全复位，偶极子仍部分保持定向，产生滞回，使部分输入能量以热量损失。数十年来，提高极化通常意味着滞回增加和效率降低，因此在单一陶瓷中同时兼顾高能量密度和高效率一直很难。

在有序与无序之间的甜点位

作者通过有意构建一种介于两者之间的状态来应对这一权衡，他们称之为“超级弛豫临界态”。在典型的弛豫体陶瓷中，微小的极性区域会波动但仍强烈相互作用，从而增强极化但也带来损失。在超顺电（superparaelectric）状态下，偶极子几乎自由运动、损耗极小，但总体极化较弱。该团队的想法是将陶瓷调谐到室温下正好位于这两种极端之间的交叉点——足够动态以便易于切换，同时又足够强以存储大量能量。

从原子层面设计材料

为实现这种状态，研究者以已知的弛豫体Sr0.5Bi0.25Na0.25TiO3为起点，并掺入顺电化合物BaHfO3。通过计算机模拟和量子力学计算，他们预测加入BaHfO3会使晶格膨胀并发生畸变，将较大的极性区域分解为许多仅约3–5纳米的小区。对合成陶瓷的实验验证了这一图景：X射线衍射显示出极性和非极性晶相的混合，高分辨率电子显微镜则揭示出密集的纳米级极性簇嵌入在更中性的背景中。这些簇仍具有强烈的局部极化，但它们的相互作用被弱化且更各向同性，因此在外加场下能更容易重定向。

无铅陶瓷的能量存储纪录

这些结构变化直接转化为性能。当组成调整到约30%为BaHfO3时，陶瓷表现出接近矩形、非常窄的极化—电场回线，意味着每个循环损失极少能量。在接近击穿极限的高电场下，这一优化组成实现了可回收能量密度16.2焦耳每立方厘米和92%的效率——这些数字使其位列已报道的无铅体块陶瓷的顶级。精确测量显示其理由：该材料兼具最大与剩余极化之间的大差值、高电阻、抑制漏电流的宽禁带以及阻止击穿通路的细小晶粒。

为速度与可靠性而生

除了原始容量外，该陶瓷在实际工作条件下也具有良好表现。它在宽频率范围内以及从室温到150 °C时均能保持稳定的能量存储和效率。在快速充放电测试中，它能在数十纳秒内释放大部分存储能量，对应于每立方厘米数百兆瓦的功率密度。即便经过一亿次充放电循环，其性能仍基本不变。这种稳健性来自高度动态的极性纳米区：它们能易于切换而不引发大规模结构疲劳，从而限制了热产生和损伤。

这对未来器件意味着什么

简而言之，作者展示了如何工程化一种内部偶极子既强劲又不顽固的陶瓷——易于开关且不浪费能量。通过精细调控成分和原子结构，使材料在室温下处于超级弛豫临界态，他们打破了能量密度与效率之间的常见折衷。这一方法为设计新一代紧凑型无铅电容器提供了蓝图，可用于脉冲功率、电动汽车和高性能电子学，推动更快、更可靠的能量存储技术走向日常应用。

引用: Xie, B., Li, Z., Luo, H. et al. Constructing superrelaxor critical state towards giant energy storage in lead-free dielectric ceramics. Nat Commun 17, 1583 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68299-2

关键词: 介电能量存储, 弛豫陶瓷, 无铅电容器, 极性纳米区, 高功率电子学