通过在高熵多层电容器中调控相互竞争的有序区实现优异的能量存储性能

为什么这些微小电源块很重要

每部智能手机、电动汽车和快速充电设备都依赖能在瞬间存储并释放电能的元件。其中的“功臣”之一是多层陶瓷电容器——一个在电子设备内部默默管理电力的小模块。本研究提出了一种新的设计思路，使这类模块能够容纳更多能量、减少作为热量的损耗，并在苛刻条件下保持稳定，同时避免使用有毒铅。研究人员通过在原子尺度上刻意引入“无序”并将其调到一个临界点，使内部相互竞争的行为达到平衡，从而实现这些改进。

为现代电子构建更好的电容器

现代电子设备需要既能储存大量能量又能快速释放、且损耗最小的元件。传统陶瓷电容常常面临权衡：提高能量密度通常会牺牲效率，反之亦然。研究团队聚焦于一种流行的无铅陶瓷体系——以钛酸铋钠为基础、用于多层陶瓷电容的材料。他们没有依赖单一有序的晶体结构，而是掺入了几种具有不同结构倾向的氧化物成分。这就形成了一种所谓的高熵材料：多种不同原子随机占据相同晶位，产生丰富多样的局部环境。目标是微调这种复杂性，使材料处于两种行为之间的过渡区：一种是具有非常灵活微小极区的“弛豫态”，另一种是极化几乎完全被抑制的“超顺磁态”。

把原子级的混乱变成有用的秩序

研究人员首先使用计算机模拟来探索添加更多种类氧化物如何改变陶瓷内部的电场分布。在低复杂度时，材料表现为经典铁电体：大的、稳定的区域朝相似方向排列，这在来回翻转时会产生能量损失。随着化学混合度增加，这些大区域分裂成许多指向不同方向的微小极点簇。这种富含纳米极性“岛”的无序态降低了翻转的能垒，并防止材料在电场去除后锁定为强极化状态。模拟表明存在一个最佳的无序程度：无序太少材料会浪费能量；无序太多又几乎无法形成强极化。在最佳点，储能和效率同时达到峰值，且响应在较宽的温度范围内保持稳定。

观察纳米尺度的拉锯战

为验证模拟结果，团队制备了一系列复杂度逐步增加的陶瓷样品，并利用先进的电子显微镜研究其原子结构。在最简单的成分中，原子的位移相对一致，形成较大的极化区域。在更复杂的高熵样品中，位移的平均值较小但在不同位置变化很大，呈现出强极化小口袋嵌入较弱基底的拼布结构。局部电场测量显示三种区域并存：界定明确的极化区、模糊的微小极点簇以及近乎非极化区。包围关键金属原子的氧配位也以零散、非协同的方式旋转，进一步破坏长程有序。这些结构特征共同营造了一个场景，使电偶极子在外加电场下能容易重定向，并在移去电场后以极小的阻力松弛回去，这对高效能量存储非常理想。

从粉末到实用器件

随后，研究人员将该优化成分制成实际的多层陶瓷电容器，外形和尺寸与商业元件相近。这些由多层薄陶瓷和金属层叠而成的器件实现了约20.6焦耳每立方厘米的可回收能量密度，同时保持约94%的效率——意味着很少的输入能量以热量损失。这些电容器能承受很高的电场，室温到140°C的性能仅有小幅变化，并在超过一千万次快速充放电循环后几乎没有退化。它们还能在不到一微秒的时间内释放大部分储能，展现出高功率密度和电流输出，证明了其在苛刻脉冲功率应用中的适用性。

这对未来电力电子意味着什么

简单来说，这项工作表明精心管理的原子级“混乱”可以成为优势而非问题。通过设计一个受控的交叉区域，使不同的内部电有序态相互竞争但不被任一主导，作者们创造了无铅电容器——它们储能更多、损耗更少，并在热与重复使用下保持稳健。这一策略并不限于单一材料：高熵设计与竞争有序态的原则可用于指导下一代紧凑、高效的电容器及相关器件的开发，助力未来电子设备变得更小、更快、更环保。

引用: Deng, T., Xie, J., Liu, Z. et al. Superior energy storage performance via engineering crossover region with competing orders in high-entropy multilayer capacitors. Nat Commun 17, 2638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69279-2

关键词: 高熵陶瓷, 多层陶瓷电容器, 能量存储, 弛豫铁电体, 无铅介电材料