高性能介質電容器是現代脈沖功率器件（如激光器、新能源逆變器）的關鍵元件，用于快速存儲和釋放電能。為實現器件的小型化和集成化，電容器需要極高的能量存儲密度。

但業界存在瓶頸，即現有基于鈣鈦礦結構材料（如 BaTiO₃、PbZrO₃等）的多層陶瓷電容器（MLCC）在提高儲能性能方面遭遇了設計限制。

創新方案：高熵TTB結構電容器

針對以上問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所王根水研究員團隊提出新的材料設計策略：

l 材料骨架：選用四方鎢青銅（TTB）結構。

l 設計方法：采用多位點高熵設計，在TTB結構的A位點引入多組分等比例混合?！案哽亍奔赐ㄟ^多種元素混合，在晶體結構中引入高程度的無序或混亂，以獲得特殊性能。

(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

性能提升的機制

原子結構分析顯示，A位點的無序打破了原有位點選擇性，導致核心單元NbO₆八面體發生畸變。其中，Nb1原子優先沿極性c軸位移，Nb2原子則表現為面內無序。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不僅增強了弛豫特性、降低了滯后效應，同時在外加電場下保持高的極化強度。這正是高性能電容器的理想特性。

關鍵成果

最終在 (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：

l 高儲能密度： 20.2 J.cm^-3

l 高儲能效率： 93.8%

(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

該器件還表現出優異的疲勞穩定性和溫度穩定性。這項研究為設計新一代高熵功能材料和介質電容器提供了新的獨特方法。目前相關成果以“Harnessing Multi-site High-Entropy Architecture for Ultrahigh Energy Storage Multilayer Capacitors”發表在 Journal of the American Chemical Society (DOI:10.1021/jacs.5c12566) 。

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