中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
多層陶瓷電容器（MLCCs）是現代電子系統的核心元件，然而在高溫和長(cháng)周期循環(huán)等苛刻工作條件下確?？煽啃?，同時(shí)實(shí)現可恢復能量密度和效率的整體優(yōu)化仍是一項重大挑戰。
2025年7月16日，西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副院長(cháng)周迪、徐諦明、趙維琛團隊在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Advanced stability and energy storage capacity in hierarchically engineered Bi?.?Na?.?TiO?-based multilayer capacitors”的研究論文，趙維琛為論文第一作者，徐諦明、杭州電子科技大學(xué)周濤、西安交通大學(xué)劉文鳳、北京理工大學(xué)黃厚兵、周迪為論文共同通訊作者。
該研究通過(guò)調控動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，采用極性玻璃態(tài)（PGS）策略顯著(zhù)提升了儲能性能。該方法通過(guò)分級結構設計破壞納米疇并細化晶粒，從而最小化滯后損耗并提高擊穿強度。在Bi?.?Na?.?TiO?基多層陶瓷電容器中實(shí)現了22.92 J cm?3的超高可恢復能量密度和97.1%的優(yōu)異效率，同時(shí)具備優(yōu)異的高溫穩定性。該策略為開(kāi)發(fā)面向高溫應用的先進(jìn)介電電容器提供了變革性藍圖。
多層陶瓷電容器（MLCCs）在尖端電子元件中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，支撐著(zhù)電信、航空航天、消費電子和可再生能源等領(lǐng)域的進(jìn)步。MLCCs因其緊湊的外形、高功率密度、快速充放電速率以及多樣化工作條件下的卓越可靠性而備受推崇，成為介電儲能應用的理想解決方案。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)、先進(jìn)脈沖功率系統和下一代計算等技術(shù)創(chuàng )新的推動(dòng)，對更高效、更穩定儲能設備的需求日益增長(cháng)，開(kāi)發(fā)能夠突破電容器性能邊界的新型材料顯得尤為重要。然而，當前介電陶瓷電容器相對較低的可恢復能量密度（Wrec）和/或有限的效率，為其廣泛應用和器件小型化及系統集成帶來(lái)了巨大障礙。
介電電容器的儲能性能（ESP）由極化強度（P）、電場(chǎng)強度（E）和擊穿場(chǎng)強（Eb）共同決定。具體而言，可恢復能量密度由積分Wrec=∫P?P?EdP給出，儲能效率η=Wrec/(Wrec+Wloss)，其中P?代表最大極化強度，P?表示剩余極化強度，Wloss為能量損耗。由此可見(jiàn)，協(xié)同優(yōu)化介電材料ESP的關(guān)鍵在于最小化P?、最大化P?并提升Eb。盡管目前已開(kāi)發(fā)出具有顯著(zhù)電容儲能密度的MLCCs，但在溫度、頻率等外部條件變化下實(shí)現高穩定性的相結構仍是關(guān)鍵設計挑戰。為此，研究人員致力于通過(guò)多種方法優(yōu)化這些參數以提升MLCCs的ESP。在結構調控方面，采用厚度優(yōu)化、燒結工藝改進(jìn)、核殼結構設計、模板誘導織構化以及抑制極化-應變耦合等方法，均能有效增強材料的抗電擊穿能力。在材料改性方面，缺陷工程、異價(jià)摻雜和化學(xué)成分設計等手段被用于抑制極化滯后并降低能量損耗。近期材料科學(xué)的突破性進(jìn)展將高構型熵（通常>1.5R）的高熵陶瓷（HECs）推向了介電儲能應用的前沿。例如，Chen等人提出高熵策略開(kāi)發(fā)了超小極性納米區（PNRs）和致密亞微米晶粒結構，通過(guò)延遲極化飽和和增強擊穿電場(chǎng)，在K?.?Na?.?NbO?基HECs中實(shí)現了~90.8%的儲能效率和10.1J cm?3的Wrec。Zhang團隊則在BaTiO?基MLCCs中引入高熵結構和多晶型弛豫相（PRP），將Wrec提升至20.8J cm?3，η達到97.5%。但值得注意的是，該MLCC在100°C時(shí)Wrec會(huì )降至~10.6J cm?3，η降低至約85%，這凸顯了在寬溫范圍內優(yōu)化MLCCs綜合ESP仍存在挑戰，這對滿(mǎn)足現代儲能應用的發(fā)展需求至關(guān)重要。
圖1 | 增強儲能性能的極性玻璃態(tài)策略（PGS）示意圖。對比展示了（a）晶粒尺寸和疇結構；（b）自由能；（c）高熵陶瓷（HECs）和PGS設計后的P-E回線(xiàn)。
圖2 | 所研究的BNT基MLCCs的儲能性能。（a）MLCCs的光學(xué)照片及橫截面SEM顯微圖，附主要元素分布圖；（b）在Eb場(chǎng)強下測量的室溫P-E回線(xiàn)；（c）1.88R-MLCCs、1.88R-BC和1.88R-RRP的綜合性能對比；（d）在800 kV cm?1 電場(chǎng)下的循環(huán)次數依賴(lài)性能；（e）溫度依賴(lài)性能；（f）本研究與其他先進(jìn)MLCCs在寬溫范圍內的可恢復能量密度對比；（g）不同電場(chǎng)下的放電能量密度隨時(shí)間變化；（h）120°C下的循環(huán)穩定性；（i）本研究與其他代表性MLCCs的綜合性能對比。
圖3 | 1.88R-MLCCs的局部結構表征。（a）[100]方向的高分辨AC-BF-STEM圖像，插圖為晶體結構模擬（右上）及Bi和Ti元素的EDS分布圖（右下）；（b）[100]方向的AC-HAADF-STEM極化矢量圖；（c）基于歸一化原子強度的陽(yáng)離子分布圖；（d）陽(yáng)離子位移隨溫度的統計分布；（e）歸一化原子強度隨溫度的變化；（f）[100]方向不同溫度下陽(yáng)離子位移的極坐標分布。
圖4 | 1.88R-MLCCs的結構表征。（a）X射線(xiàn)總散射G(r)數據擬合；（b）不同溫度下的原位X射線(xiàn)總散射G(r)數據；（c）(111)和(200)峰的原位溫度依賴(lài)PXRD數據；（d）室溫下的面外PFM圖像及極化振幅；（e）相場(chǎng)模擬的疇結構隨溫度變化結果。
總之，該研究提出了一種極性玻璃態(tài)（PGS）策略，在Bi?.?Na?.?TiO?基MLCCs中全面優(yōu)化了可恢復能量密度（Wrec）和效率（η），同時(shí)在高溫和長(cháng)周期循環(huán)等嚴苛條件下保持了卓越的可靠性。這一獨特性能源于局部、短程、長(cháng)程和微觀(guān)尺度上分級結構設計的協(xié)同效應。通過(guò)調控運行過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，該實(shí)用方法有效消除了局域強極化以最小化滯后損耗，保持了結構穩定性以提升性能可靠性，并通過(guò)晶粒細化提高了擊穿強度。該策略為推進(jìn)介電儲能電容器及其相關(guān)功能（如緊湊型片上儲能解決方案和其他尖端應用）提供了可行范式。
