非极性纳米团簇约束工程在无铅高熵弛豫体中实现高电容能量存储

为未来电子设备供能

从电动汽车到医疗除颤器，许多现代设备依赖能够快速充放电的陶瓷电容器。但工程师面临一个棘手问题：如何在不大量以热能浪费、且不使用有毒铅的前提下在这些元件中装入更多可用能量。本研究提出了一种新方法，制造更安全的无铅陶瓷电容器，使其在保持高效率的同时存储大量能量，为更紧凑、更可靠的电力电子设备打开了可能。

为什么电能存储如此困难

陶瓷电容器通过在施加电压时晶体内部微小电偶极子的取向变化来存储能量。要获得高能量存储，这些偶极子必须高度排列，但一旦排列，它们往往难以切换回原位，每次充放电都会产生能量损失。当作极化-电场曲线绘制时，这种损失表现为宽阔的“肥”回线，限制了性能和寿命。对于电动汽车和脉冲电源这类真实系统，设计者希望电容器既能存储大量能量、能量损失极小，又能在数十亿次快速循环中保持工作。

驯服微小电区的新方法

研究者采用一种特殊材料——高熵弛豫陶瓷来应对这一挑战。在这些晶体中，五种不同元素共享相同的原子位点，形成一种局部环境的拼接结构，自然打断长程有序。在此基础上，他们在晶格的另一个位置引入少量锡（Sn）。由于锡对电场响应较弱，富锡的微小区域表现为非极性的“死区”。计算机模拟显示，这些区域会成为稳定、耐场的纳米团簇，分布在许多小的极性区域之间，起到钉扎作用，阻止极性区域在高电压下合并成大型、强烈锁定的畴。

从计算设计到实际陶瓷部件

在这些模拟的指导下，团队制备了一系列基于成分 (Bi0.2Na0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti1−xSnx)O3 的陶瓷，并改变锡的含量。显微表征证实，加入锡能够使极性区域保持非常小，即便在材料受强电场作用时也是如此。电性测试表明，特定的锡含量（x = 0.06）为最佳：材料仍能强烈极化，但其极化–电场回线变窄，意味着每个循环的能量损失极少。在块体陶瓷形式下，该成分已经表现出比未掺杂材料更高的储能和效率，证明了非极性纳米团簇按预期发挥作用。

构建更好的多层电容器

随后，研究者将这种优化的陶瓷制成类似电路中使用的多层陶瓷电容器。每个器件包含多层薄陶瓷夹在金属电极之间，从而提高了击穿强度和单位体积可用能量。这些电容器实现了约18.5焦耳/立方厘米的可回收能量密度，能量效率约为92%——这些数值使它们跻身目前已报道的最佳无铅电容器之列。器件在从近冰点到约250 ℃的宽温度范围内以及不同工作频率下均保持稳定性能，同时支持超快、纳秒级的放电，适用于脉冲功率应用。

这对未来器件意味着什么

简而言之，这项工作表明，有意在复杂陶瓷中加入微小的非响应性岛状区域，可以控制其活性区域，使材料在存储更多能量的同时减少能量损失。通过采用高熵、无铅的成分并精细调节锡含量，作者们创造出在苛刻条件下仍然强劲、高效且稳健的电容器。这种“纳米团簇约束”方法为下一代电容器提供了一条新的设计规则，可能使未来的电力电子设备更小、更清洁、更可靠。

引用: Xie, A., Li, Z., Wu, X. et al. Non-polar nanocluster confinement engineering realizes high capacitive energy storage in Pb-free high-entropy relaxors. Nat Commun 17, 1584 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68301-x

关键词: 陶瓷电容器, 能量存储, 无铅材料, 弛豫铁电体, 电力电子