近日，我校先进陶瓷研究中心团队在电介质储能陶瓷材料及器件研究领域取得新进展。相关研究成果分别以“Non-polar nanocluster confinement engineering realizes high capacitive energy storage in Pb-free high-entropy relaxors”和“Quasi-antipolar nanoclusters driven superior energy storage in high-entropy relaxor ferroelectrics”为题，发表于国际顶级综合性期刊《Nature Communications》（中科院一区，IF=15.7）和《Advanced Science》（中科院一区，IF=14.1）。团队教师谢爱文副教授和博士后田傲分别为两篇论文第一作者。该研究工作还得到中国科学院上海硅酸盐研究所、乌镇实验室、西安交通大学及淮南师范学院等单位的合作支持。
固态介质电容器因其高功率密度与极快充放电速率备受关注。先进陶瓷研究中心团队近年来围绕弛豫铁电、反铁电陶瓷材料，在多尺度结构设计、极化特性调控与储能机制等方面开展了系统研究，取得了一系列创新成果，已陆续在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际高水平期刊发表。
近日发表于《Nature Communications》的研究通过相场模拟指导，设计出 (Bi0.2Na0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti1-xSnx)O3无铅高熵驰豫铁电体，并提出一种“非极性纳米团簇约束工程”策略以优化其储能特性。引入低离子极化率的Sn4+促使形成局域非铁电钙钛矿单胞，这些单胞构成坚固的非极性纳米团簇，并在高熵构型固有的强局域随机场作用下进一步稳定。这些团簇可作为有效钉扎中心，抑制电场下极性纳米微区的合并与生长，从而缓解极化增强与滞后减小之间的矛盾。基于最优组分（x=0.06）制备的多层陶瓷电容器（MLCC）原型器件展现出~18.5 J·cm-3的高储能密度以及约92.4%的高储能效率，在无铅储能陶瓷材料中呈现出具有竞争力的性能组合。
图1 (Bi0.2Na0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti0.94Sn0.06)O3陶瓷多级电畴结构表征
图2 (Bi0.2Na0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti0.94Sn0.06)O3组成MLCC器件的综合储能性能
发表于《Advanced Science》的研究则以反铁电/铁电共存的NaNbO3陶瓷为基体，通过高熵组成设计，在弛豫铁电体中构建出“准反极性纳米团簇”结构。该结构不仅削弱了周围极性纳米微区之间的耦合，还在外加电场下表现出不同于极性纳米微区的相变行为，从而实现了低滞后、类线性的极化-电场响应。最终制得的NaNbO3基无铅MLCC原型器件具备优异的综合储能性能：储能密度为~18.3 J·cm-3，储能效率约91.5%，储能密度/测试电场比值达0.25 J/(kV·mm-5)。
图3 “准反极性纳米团簇”的原子尺度结构表征
图4 NaNbO3基MLCC器件的综合储能性能
上述两项研究工作不仅为未来储能电介质材料的研究提供了可行的设计范式，也为定制化功能材料的电学性能调控提供了重要理论依据。该系列研究受到国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划及安徽省自然科学基金等项目支持。
论文信息：//www.nature.com/articles/s41467-026-68301-x.
Aiwen Xie, Zehao Li, Xiang Wu, Tengfei Hu*, Ao Tian, Yi Zhang, Liqiang He*, Ning Liu*, Xin Gao, Xuewen Jiang, Xinchun Xie, Xiaokuo Er, Ruzhong Zuo*. Non-polar nanocluster confinement engineering realizes high capacitive energy storage in Pb-free high-entropy relaxors, Nature Communications, 2026, in Press.
//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202522801.
Ao Tian, Zehao Li, Qingkang Jiang, Xiang Wu, Xuewen Jiang, Xin Gao, Xiaokuo Er, Mohamed Mahmoud, Maqbool Ur Rehman, Liqiang Liu, Aiwen Xie*, Tengfei Hu*, Ruzhong Zuo*. Quasi-Antipolar Nanoclusters Driven Superior Energy Storage in High-Entropy Relaxor Ferroelectrics, Advanced Science, 2025, e22801.
(文/图：尹双；编辑：杨栎模；预审：刘琪；审核：孙宏义、王刚)