高性能介質電容器在現代脈沖功率器件中發揮著關鍵作用。然而,能量存儲能力低是脈沖器件小型化與集成化趨勢面臨的主要障礙之一,現有基于鈣鈦礦基材料體系的多層陶瓷電容器,面臨材料設計和器件性能提升的瓶頸。

針對上述問題,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究團隊等,提出了基于四方鎢青銅(TTB,通式A1₂A2₄C₄B₁₀O₃₀)結構多位點高熵設計的儲能增強策略,實現了四方鎢青銅高熵電容器優異的儲能性能。原子尺度結構分析表明,A位等摩爾比的多位點高熵設計打破了TTB陶瓷固有的A1/A2位點選擇性,且A位的組分無序誘導了TTB結構的NbO₆八面體畸變。其中,Nb1原子優先沿極性c軸位移,Nb2原子表現為面內無序。兩種Nb位點不同的極化行為,一方面擾動了長程鐵電有序,另一方面在局域尺度上,保留了沿極性c軸的強偏心位移。這一獨特的結構特性增強了弛豫特性、降低了滯后效應,并在外加電場下保持較高的極化強度,進而在(Na_1/6K_1/6Sr_1/6Ag_1/6Ba_1/6La_1/6)₆Nb₁₀O₃₀高熵多層電容器中,實現了20.2J^.cm^-3的高儲能密度和93.8%的高儲能效率。同時,該多層電容器還表現出優異的疲勞穩定性和溫度穩定性。

該研究提出了設計新一代高熵功能材料的獨特方法——多位點結構調控,拓展了介質電容器的研究范疇。

近日,相關研究成果發表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學技術協會、上海市等的支持。

論文鏈接

(a)基于TTB結構的多位點高熵設計,(b-c)TTB高熵陶瓷的介電和儲能性能,(d)TTB高熵陶瓷的原子級EDS圖

(a-d)TTB高熵陶瓷的結構精修,(e-h)TTB高熵陶瓷的晶格結構畸變

(a)TTB高熵電容器的形貌和元素分布,(b-f)TTB高熵電容器的儲能和放電特性