具有超高功率密度的陶瓷电容器在现代电气应用中至关重要，特别是在高温条件下。然而，相对较低的能量密度限制了它们的应用，阻碍了器件的小型化和集成化。基于此，清华大学南策文院士和Letao Yang、湖北大学郭金明教授（共同通讯作者）等人报道了一种高熵的基于BaTiO3的弛缓陶瓷，具有出色的储能性能。具有高Bi(Mg0.5Zr0.5)O3含量的(1-x)(Ba0.8Ca0.2)TiO3-xBi(Mg0.5Zr0.5)O3（记为(100-100x)BCT20-100xBMZ）弛豫系统，实现了温度稳定的介电常数，提高了固溶体的Sconfig，有利于提高储能性能，特别是在高温和电场下的储能性能。
结果表明，在720 kV/cm和室温条件下，当x=0.3时，陶瓷的能量效率（η）值高达93%，可回收能量密度（Wrec）值高达10.9 J/cm3。在-50 ℃至260 ℃的温度范围内，陶瓷的η值稳定在5.0±0.5 J/cm3，η值大于90%。在200 °C下循环106次后，仍表现出优异的可靠性，储能性能的退化最小。电学和原位结构表征表明，高熵工程的局部结构在不同的温度和电场下具有很高的稳定性，具有优异的储能性能。该研究为高熵工程在高性能介质电容器开发中的有效性提供了一个很好的范例。
相关工作以《High-entropy engineered BaTiO3-based ceramic capacitors with greatly enhanced high-temperature energy storage performance》为题发表在最新一期《Nature Communications》上。
值得注意的是，这是南策文院士发表的第25篇Nature Communications！
所有陶瓷均表现为纯钙钛矿结构（ABO3），对称性随BMZ含量的变化而变化。当BMZ含量大于10%时，陶瓷呈现出单峰{200}和单峰{111}的伪晶相。由于离子半径在（Ba0.8Ca0.2）2+（1.56 Å）和Bi3+（1.38 Å）及Ti4+（0.605 Å）和（Mg0.5Zr0.5）3+（0.72 Å）之间存在差异，晶格体积随着BMZ含量的增加而增加，BO6八面体主导了钙钛矿单元电池体积。随着BMZ含量的增加，Tm向更高的温度移动，在其他基于BT的松弛剂中也可观察到。由于铁电特性，BCT20陶瓷表现出滞后的P-E环，而具有BMZ端元的陶瓷因远程有序和局部场无序而表现出纤细的P-E环。
图1. (100-100x)BCT20-100xBMZ陶瓷的结构和电性能
即使在720 kV/cm的高电场下，P-E环仍保持纤细的形状，从而获得10.9 J/cm3的高Wrec和93%的高η。70BCT20-30BMZ的储能性能优于大多数已报道的无铅弛豫陶瓷，其储能效率大于90%。该陶瓷还具有出色的充放电特性，其中90%的存储能量可以在250 ns内释放到1 kΩ负载电阻，从而获得24.4 MW/cm3的高功率密度。循环P-E测量在450 kV/cm下进行，重复循环多达106次。在循环106次后，储能性能的变化可忽略不计，分别为ΔWrec < 0.2%和Δη < 0.1%，表明其具有超高的循环可靠性。经过106次循环后，纳米级微观结构也表现出很高的稳定性。因此，具有高电场稳定性的PNRs可以防止在P-E回路中形成与残余极化和滞后相关的大畴，在循环测量中实现高能效和超稳定的储能性能。
图2. 70BCT20-30BMZ陶瓷的室温储能性能及其局部结构
在-50 °C至260 °C的宽温度范围内，该陶瓷具有稳定的储能性能（ΔWrec < 9%和Δη < 5%）。值得注意的是，即使在250 °C时，η仍保持在90%以上，表明在测量条件下介电损耗和电导率都最小。经过106次循环后，P-E环保持不变，导致Wrec和η的变化量分别小于0.9%和1.3%，在高达200 °C下显示出卓越的可靠性。在引入BMZ端元后，陶瓷的直流电阻率显著提高，在室温下达到1012 Ω·m。因此，高熵成分（0.2≤x≤0.4）的电阻率和BDS高于中熵成分（x=0.1）和低熵成分（x=0）。
在400 °C时，BCT20陶瓷在阻抗复合体图中呈现出两个明显的半圆：高频区域较小的半圆属于晶粒响应；低频区域较大的半圆属于晶界响应。随着BMZ浓度的增加，陶瓷在400 ℃时的体电阻率（ρIS）由阻抗曲线与Z轴的交点确定，先增大后减小。计算出电导率活化能为1.47 eV，几乎是陶瓷光学带隙的一半，表明导电机制为本征导电。无论在200 ℃和300 ℃，70BCT20-30BMZ陶瓷的RC常数都优于其他介电陶瓷，显示了其在高温电容器应用中的巨大潜力。
图3. 70BCT20-30BMZ陶瓷的高温储能性能
High-entropy engineered BaTiO3-based ceramic capacitors with greatly enhanced high-temperature energy storage performance. Nature Communications, 2025
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