本网讯（材料科学与工程学院 刘雨）近日，我校材料科学与工程学院青年博士教师俞崇文，在先进功能材料领域顶级期刊《Advanced Functional Materials，IF=19.0》上以第一作者身份发表了题为《High-entropy Superrelaxor State Engineering Toward Exceptional Capacitive Energy Storage in Lead-free Ceramics Under Moderate Electric Field》的学术论文。景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院教授沈宗洋为论文通讯作者，景德镇陶瓷大学为第一署名单位。
电介质陶瓷电容器具有高功率密度和快充放电速率等显著优点，在大功率和脉冲功率系统中作用关键，被广泛应用于通讯、新能源汽车及脉冲电磁能装备等领域。目前，开发兼具高可回收储能密度（Wrec）和高储能效率（ƞ）、环保、小型轻质的陶瓷电容器成为重要研究方向。高熵策略是常用于提升陶瓷电容器储能性能的方法，可以通过打破长程有序铁电畴，进而形成极性纳米微区来降低剩余极化强度。虽然通过该方法已在高电场强度下实现了陶瓷电容器Wrec的有效提升，但超高电场应用环境对陶瓷电容器的长期服役稳定性带来挑战。此外，这种方法常以牺牲饱和极化强度来降低剩余极化强度并提高击穿场强，这对陶瓷电容器在中等电场下的工业集成化实际应用造成限制。尽管目前对于研究高储能密度陶瓷电容器已经有了大量具有代表性的工作，但对于如何设计出在中等电场下仍具有高Wrec与高ƞ的新材料，仍缺乏相关科学依据。
沈宗洋教授团队前期开发了一种极具储能应用潜力的无铅弛豫铁电陶瓷(Bi0.5Na0.5)0.65(Ba0.3Sr0.7)0.35TiO3（BNBST），本研究针对以上研究痛点，通过引入顺电体SrHfO3（SH）调节体系熵值，从而实现BNBST-xSH的高熵化与介电常数峰值温度（Tm）的低温偏移。其中，BNBST-0.20SH借助高熵策略将Tm调节至室温，并大幅度平坦化介电常数峰值区域，使得室温下陶瓷能够处于弛豫铁电态与顺电态之间的过渡态——即超弛豫态。在高熵超弛豫态下，长程无序弱极性区与短程有序极性区共存，并诱导出一些具有特殊拓扑类型的畴结构，在降低极化各向异性的同时维持较高的极化响应，最终增大ΔP。优化后的BNBST-0.20SH能够在425kV/cm的中等电场下实现8.13 J/cm3的Wrec与91.67%的效率，超过大部分无铅弛豫铁电陶瓷在中等电场下的储能性能，并展现出优异的频率、温度及循环储能稳定性。除此以外，BNBST-0.20SH也具有良好的充放电性能，其t0.9小于35ns，在200 kV/cm电场下的PD可达212.73 MW/cm3。以上结果表明，通过高熵超弛豫态工程制备的BNBST-0.20SH陶瓷在中等电场下具有优异的储能性能与实际充放电性能，在陶瓷电容器工业集成化应用中潜力显著。
图1通过高熵超弛豫态工程实现中等电场下储能性能的提升
图2a) BNBST-0.20SH陶瓷的局部极化结构，包括原子分辨率的HAADF图像以及沿[110]c方向的B位点阳离子位移矢量。b)基于STEM-HAADF的B位点阳离子在[110]c方向上的矢量叠加，以及邻近阳离子在不同方向上的位移情况。c) B位点阳离子位移极化投影图；d) BNBST-0.20SH陶瓷的极化幅度分布图。e1) B位点阳离子的极化角映射图；e2) A位点阳离子的极化角映射图。f1) B位点阳离子的极化幅度映射图；f2) A位点阳离子的极化幅度映射图。g) (a)图中标记区域（红色区域）的放大视图，显示了类似碎片化极性涡旋的畴结构。h) HAADF模式下所有元素的EDS谱图。i) [110]c方向明场的STEM-ABF图，插图显示了红色区域的放大视图以及八面体倾斜。
图3BNBST-xSH陶瓷的储能性能：a)P-E曲线及相应的b) I-V曲线。c) BNBST-0.20SH陶瓷的单极P-E曲线。d) BNBST-xSH陶瓷的威布尔分布。e) BNBST-xSH陶瓷的Wrec和η随电场变化的曲线。f) BNBST-xSH陶瓷在最大施加电场下的Wrec和η。g)部分已报道的无铅陶瓷与BNBST-0.20SH陶瓷的WF，以及h)Wrec/Eb随电场变化的对比。
（责任编辑：刘欢 审稿：刘小清 刘欢）