Nature子刊：電子能帶與核殼結構調控實現高熵陶瓷超高儲能性能！

弛豫鐵電陶瓷因其高能量密度和快速充放電速度，成為高功率電子系統中極具前景的儲能候選材料。然而，由于極化(P)與擊穿電場(Eb)之間固有的反向耦合關系，實現超高能量密度仍然面臨挑戰。

2026年4月12日，聊城大學李朋、李偉、同濟大學翟繼衛、伍倫貢大學程振祥在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Electronic band and core-shell structure engineering enables ultrahigh energy storage in high-entropy ceramics》的研究論文，Yunting Li為論文第一作者，李朋、李偉、翟繼衛、程振祥為論文共同通訊作者。

在此，作者提出了一種高熵策略來解耦極化與擊穿電場。高熵設計產生了三重效應：展平電子能帶以限制電荷載流子的傳輸，驅動核殼異質結構的形成以抑制電擊穿，并穩定多晶型極性相以促進極化旋轉。這種三重協同效應導致了超高的Eb和最大化的極化差(ΔP= Pmax- Pr)。因此，高熵陶瓷表現出10.23±0.99 J/cm3的超高可恢復能量密度(Wrec)和85.44%±3.34%的滿意效率(η)，同時具有良好的循環可靠性和溫度穩定性。這項工作為實現介電電容器的優異儲能性能提供了一種創新的設計范式。介電電容器是脈沖功率系統、電動汽車和電網規模可再生能源存儲的關鍵部件。它們的優勢包括瞬時高功率、快速充放電速度和良好的熱穩定性。這種優越的性能歸因于一種獨特的儲能機制，該機制主要由施加電場下的快速離子位移極化所支配。介電電容器儲能性能的評估主要依賴于兩個參數，即可恢復能量密度(Wrec)和效率(η)。Wrec由施加的電場(E)和隨之產生的介電極化(P)決定，Wrec=∫EdP(Pm到Pr)，其中Pr和Pmax分別是剩余極化和最大極化。η由Wrec和總能量密度(Wtotal)決定，η=Wrec/Wtotal（見圖S1的示意圖）。然而，介電陶瓷中Eb和ΔP之間的內在矛盾限制了它們的儲能性能。

為了實現優異的儲能性能，大量研究致力于解耦Eb和P之間的反向耦合關系。已經提出了疇和相工程策略來增強ΔP，同時保持高Eb，從而獲得優異的儲能性能。晶粒取向工程提供了一種創新方法，可以通過減輕應變和場不均勻性來顯著增強Eb，從而實現優異的儲能性能。最近，通過將多種離子物種引入基體而實現的高熵策略已成為一種有前途的方法。這種方法同時減小了疇尺寸和極化開關滯后，并提高了Eb。高熵策略使(Bi,Na)TiO3(BNT)-、BaTiO3(BT)-和(K,Na)NbO3(KNN)基陶瓷實現了超過10J/cm3的能量密度和超過90%的效率。此外，核殼異質結構的構建已被證明在協同改善ΔP和Eb方面是有效的。利用極性核和弱極性殼的巧妙設計，在無鉛NaNbO3基反鐵電體和(Bi,Na)TiO3、BaTiO3基弛豫鐵電體中實現了出色的儲能性能。最近，多層陶瓷電容器(MLCCs)與塊體陶瓷相比，在儲能性能方面表現出顯著的改進。這一進步源于介電層厚度、界面工程和場分布的協同優化，同時提高了Eb和ΔP，為高能量密度和高效率的電容儲能開辟了一條有希望的途徑。

盡管取得了這些重大進展，高熵儲能陶瓷中仍存在一些未探索的空白。首先，現有策略往往是孤立的。高熵成分與核殼異質結構形成之間的相關性及其對儲能性能的協同效應尚未被探索。其次，高熵成分與電子能帶結構之間的關系及其對儲能性能的影響尚未得到全面研究。在這項工作中，選擇了一系列元素，包括Sr、La、Ba、Mg和Ta，來調整(1-x)(Bi0.34Na0.30Sr0.28La0.04)TiO3-xBa(Mg1/3Ta2/3)O3(BNSLT-xBMT)陶瓷的構型熵(Sconfig)。在高熵陶瓷中實現了變革性的三重協同效應。首先，由化學無序和晶格畸變操縱的電子能帶展平限制了載流子傳輸，從而增強了Eb。其次，結晶過程中離子擴散動力學的差異驅動了核殼異質結構的形成，抑制了電擊穿，從而進一步增強了Eb。第三，高熵設計穩定了多晶型極性相，最大化了ΔP。Eb和ΔP之間的解耦在高熵陶瓷(x=0.10)中產生了10.23±0.99J/cm3的超高Wrec和85.44%±3.34%的滿意η。這項研究建立了一個變革性的范式，將電子能帶和微觀結構工程結合起來，用于開發高性能介電電容器。

綜上，作者提出了一種基于高熵策略的新型弛豫鐵電陶瓷設計方法，通過在(Bi,Na)TiO3基體中引入多種陽離子（Sr、La、Ba、Mg、Ta），實現了電子能帶結構展平、核殼異質結構形成和多晶型極性相穩定的三重協同效應。該設計有效解耦了介電材料中極化強度與擊穿電場之間的固有矛盾，從而顯著提升了材料的儲能性能。

研究成功制備出可恢復能量密度高達10.23 J/cm3、效率達85.44%的高熵陶瓷，并展現出優異的循環和溫度穩定性。這項工作不僅為開發下一代高性能介電電容器提供了創新的設計范式，還對推動高功率電子系統（如電動汽車、脈沖功率設備和可再生能源電網）的發展具有重要意義，有望在先進電子元器件和能源存儲領域獲得廣泛應用。

Electronic band and core-shell structure engineering enables ultrahigh energy storage in high-entropy ceramics.Nat. Commun.,(2026).https://doi.org/10.1038/s41467-026-71892-0.

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