在面向生成式AI的硬件中，需要通過電源線輸送足夠的電流到處理器，才能保障章程執行計算處理，但在實際工作中，電源供給速度通常難以跟上處理器需要的大電流，這給系統的穩定性和性能帶來了挑戰。因此，在處理器的電源線上使用的電容器發揮了尤為重要的作用。其中多層陶瓷電容器（MLCC）憑借優異的高溫穩定性、較小的體積等，近年來受AI驅動出貨量攀升。而隨著AI算力不斷提升，電子設備小型化、輕量化以及集成化的發展，繼續提升電容器能量密度的需求也在不斷高漲，同時出于對環保因素的考慮，具有較高介電常數、環境友好型和可持續發展型的無鉛陶瓷電介質有望爆發需求！

介電層是電容器存儲和釋放電能的主要場所，介電層所選用的材料決定電容器能量密度的上限，目前高介電常數的無鉛陶瓷材料有鐵電體、弛豫鐵電體、反鐵電體及弛豫反鐵電體等。

MLCC結構

一、無鉛鐵電材料

BaTiO₃(BT)是一種典型的鈣鈦礦型無鉛鐵電材料，具有四方相、立方相、斜方相和六方相等晶型。當溫度位于其居里溫度（Tc=120℃）以下時，鈦酸鋇呈現四方相，由于Ti⁴⁺較低的平均熱振動能，導致部分Ti⁴⁺難以克服Ti和O離子之間的作用力，而偏移到某個O離子上，在晶胞中產生電偶極矩，當外加電場作用于材料上時，這些偶極子會沿電場方向重新排列，從而產生較大的極化效應，而這種強烈的極化響應導致了鈦酸鋇表現出高的介電常數，因此往往具有高能量密度。

鈦酸鋇晶體結構及介電常數隨溫度變化

不過，鈦酸鋇的晶體結構會隨著溫度的變化而發生明顯的改變，比如當溫度大于其居里溫度（Tc=120℃）時，鈦酸鋇呈立方相，不會表現出鐵電性，其介電常數也會急劇降低。因此往往需要通過摻雜、工藝優化、微觀結構控制，來改善BaTiO₃的介溫特性，獲得理想的電容溫度穩定性。除此之外，BT材料還具有較大的疇結構，會表現出較大的剩余極化，產生較大的能量損耗，作為電介質的應用效果不佳。

二、無鉛弛豫鐵電材料

為了改善鐵電材料的應用效果，可將異價或大小相差較大的離子摻入晶格，使晶格發生畸變導致晶格活化并在內部產生少量的電荷，從而產生一定的電場來破壞鐵電體內較大的電疇結構，形成極性納米微區，成為弛豫鐵電體。由于弛豫鐵電體的不同離子在晶體學等價位點上排列的無序性，其具有彌散相變的獨特行為，即其由順電相向鐵電相的相變是在寬的溫度范圍內持續進行的，不會在某溫度下發生太過劇烈的變化，在儲能過程中能夠保持結構相對穩定。

1、BaTiO₃基弛豫鐵電材料

當前，BaTiO-BiMeO₃材料(Me為三價陽離子或者平均三價的金屬陽離子)作為BT基弛豫固溶物被廣泛研究。在BT中引入BiMeO₃不僅降低了剩余極化并且有助于提高擊穿強度。此外，鉍的6p軌道與氧的2p軌道雜化可以提高BT基弛豫材料的最大極化。通過這種方式，BaTiO₃基弛豫鐵電體可以獲得更高的可恢復能量密度和能量效率。

2、Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT，鈦酸鉍鈉）

BNT也是一種典型的鈣鈦礦型陶瓷材料，具有良好的鐵電性，但剩余極化較高，且難以燒結成致密的樣品，產生的缺陷較多，導致擊穿強度較小，因此需要摻雜其他元素的陽離子或者形成固溶物來提高其性能。

3、BiFeO₃(BF)基陶瓷

BiFeO₃(BF)基陶瓷是一種在室溫下同時具有鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料，有高自發極化和高居里溫度，但純的BF陶瓷也存在高剩余極化的缺點，同時在低電場下還會表現出大的漏電流，可通過摻雜Sm³⁺、Nd³⁺、La³⁺,或與BaTiO₃、SrTiO₃(ST)及Bi_0.5K_0.5TiO₃(BKT)等稀土元素離子形成固溶物來形成弛豫鐵電體。

三、無鉛反鐵電材料

反鐵電材料儲能是基于電場作用下的能量轉換，其物理本質是雙電滯回線。即在一定溫度范圍內相鄰晶格的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發極化強度為零，但在電場作用下相鄰晶格的偶極子可以誘導為平行排列，由反鐵電體轉變為鐵電體，呈現出場誘相變的特點和大的極化強度；當電場撤出后，偶極子可逆回復反平行排列，剩余極化強度又迅速回到零，內部能量瞬時釋放。正是由于這種特殊的雙電滯回線，反鐵電材料在高能量密度電容器中顯示出巨大的前景。

鐵電相與反鐵電相自發極化對比（來源：張小政）

目前，無鉛反鐵電材料體系大多集中在鈮酸銀(AgNbO₃)和鈮酸鈉(NaNbO₃)中：

1、鈮酸銀(AgNbO₃)

鈮酸銀(AgNbO₃)基材料作為一種典型的無鉛反鐵電材料，擁有雙電滯回線以及較高的最大極化，導致能量密度較高。然而，由于純鈮酸銀反鐵電相穩定性較差，不能表現出理想的雙電滯回線，導致能量效率偏低，因此也需要通過摻雜特定陽離子來增強器反鐵電穩定性，如在其A位摻雜Bi³⁺、Sr²⁺、Ca²⁺比Ag⁺半徑小的陽離子，在B位摻雜Ta⁵⁺等極化率較低的陽離子。

2、鈮酸鈉(NaNbO₃)

鈮酸鈉(NaNbO₃)具有較低的成本，但其存在的較大剩余極化和明顯的滯后，另外其擊穿強度也不夠高，盡管可以通過摻雜穩定鈮酸鈉反鐵電相提高其儲能性能，但由于其在高電場下總是表現出不可逆的AFE-FE相變，仍舊限制了儲能效率的提升，因此對于NaNbO₃基陶瓷儲能性能的研究仍需進一步加強。

四、無鉛弛豫反鐵電體

由于上述反鐵電材料場致相變的大滯后性，以及大多部分的能量會在反鐵電-鐵電(AFE-FE)相變之間以熱量形式耗散，使得反鐵電材料的儲能效率通常較低，因此近年來研究人員將電疇尺寸調控至納米尺度，引入弛豫行為，構建了具有低能量損耗和纖細的雙電滯回線的弛豫型反鐵電體。目前BNT基弛豫反鐵電體和NN(NaNbO₃)基弛豫反鐵電體是研究較為廣泛的無鉛弛豫反鐵電體系。

參考文獻：

1、梁峰,羅蘇南,吳桂泰.提高介電電容器能量密度的優化策略[J].山東陶瓷,2024,47(04):35-47.

2、董日壯.無鉛弛豫鐵電材料結構調控及儲能特性研究[D].西安電子科技大學.

3、周乃吉,吳修勝,溫紅娟,等.增強鈦酸鉍鈉基陶瓷儲能研究進展[J/OL].材料導報.

4、王曉智.鈮酸鉀鈉基無鉛儲能陶瓷的制備及其性能的研究[D].濟南大學.

粉體圈整理