反铁电陶瓷储能瓶颈实现突破中国科学报

近日，西安交通大学电信学部教授靳立团队联合国内合作者提出了一种“局域极化无序工程的全新设计策略，为突破储能密度与效率之间的固有制约关系提供了新的解决思路。该研究成果发表于《自然·通讯》。

随着脉冲功率电子、可再生能源以及高频电力系统的迅猛发展，具备高功率密度、快速充放电能力与长寿命优势的静电储能电容器，正成为先进能源技术领域的研究热点与应用焦点。然而，在多层陶瓷电容器（MLCC）体系中，可恢复储能密度（Wrec）与储能效率（η）之间长期存在显著的权衡关系，这一瓶颈问题始终制约着器件性能的进一步提升。尤其是在高电场强度与高频循环工况下，即便是微弱的极化损耗，也会在持续运行过程中逐步累积为焦耳热，导致器件内部温升及热应力集中，从而对其长期可靠性与服役寿命构成严峻挑战。在此背景下，如何在维持高可恢复储能密度的同时，将储能效率提升至接近无损（近100%）水平，已成为当前介电储能领域亟需突破的关键科学问题与技术瓶颈。

局域极化无序与储能性能关系的示意图。西安交通大学供图

研究团队成功制备出高性能多层陶瓷电容器。在167千伏每毫米的高电场条件下，器件实现了23.2焦耳每立方厘米的可恢复储能密度和98.1%的超高储能效率，对应储能品质因数（WF）高达1220，整体性能显著优于当前已报道的同类MLCC体系，展现出突出的综合优势。

与此同时，该器件在20–140 ℃宽温区、10–200 赫兹频率范围以及长循环工况下均保持稳定运行，体现出优异的环境适应性与可靠性；其放电时间约为120 纳秒，具备典型的超快能量释放能力，满足高功率脉冲应用需求。研究进一步从“极化工程”的全新视角出发，系统揭示了局域极化无序与高电场可操作性之间的协同作用机制，实现了反铁电储能性能的整体优化。

这一成果为突破传统反铁电材料中高储能密度与高效率难以兼得的瓶颈提供了重要思路，同时为AgNbO3、NaNbO3等典型反铁电体系的高性能设计提供了具有推广价值的范式。