10月5日，Nature子刊《Nature Communications》发表题目为“Ferroelectric tungsten bronze-based ceramics with high-energy storage performance via weakly coupled relaxor design and grain boundary optimization”的学术论文。论文由北京邮电大学理学院，信息光子学与光通信全国重点实验室联合清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室完成。第一作者为北京邮电大学博士生刘家铭，北京邮电大学理学院毕科教授、郭丽敏副教授等为本文通讯作者。（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52934-x）。

陶瓷电介质电容器凭借其高功率密度、快速充放电速率以及长循环寿命等优点，在信息通讯、新能源汽车、脉冲激光等高频高功率设备中具有广泛的应用。但是电介质电容器储能密度仍然相对较低、温度稳定性较差，限制了其进一步发展。获得具有高储能密度及储能效率的电介质材料并明晰其增强机理仍然是储能电容器领域的重大挑战。目前储能陶瓷材料的研究主要集中于钙钛矿结构的铁电/反铁电材料中，储能性能也得到了不断的优化。作为第二大类铁电体，四方钨青铜结构（TBBs）陶瓷虽然也具有良好的铁电和介电性能，但由于其复杂的晶体结构，在局部结构设计和优化上存在较大的困难，导致其在储能领域的研究很少得到关注且性能提升缓慢。

在本研究中，研究团队通过多尺度设计增强了钨青铜陶瓷BaSrTiNb_2-xTa_xO₉的弛豫行为，通过第二相（Ba_0.5Sr_0.5TiO₃）在晶界处的析出以及B位Ta⁵⁺掺杂增加了离子无序性以及化学不均匀性，从而打破了长程有序的铁电畴，诱导出对外场响应迅速的极性纳米微区，显著降低了剩余极化强度。高耐火性的Ta掺杂显著抑制了晶粒生长并提高晶界激活能，高绝缘和顺电特性的第二相与主相晶粒形成局部“芯-壳”结构，这些局部结构设计显著提高了体系的击穿电场强度。最终在950kV/cm的电场下，BaSrTiNb_2-xTa_xO₉陶瓷获得了12.2 J/cm³的高储能密度和89.5%的优异储能效率，是目前已报道的四方钨青铜基陶瓷材料的最高储能密度。此外，该陶瓷在频率（0.1-100Hz）、温度（25-160^oC）和循环电场（10⁶次）下表现出显著的稳定性。本研究提出的多尺度材料优化策略，特别是复相结构设计为电介质电容器研发提供了一种新的方法。

图1：本研究的设计思路和综合性能对比

图2：BaSrTiNb_2-xTa_xO₉陶瓷微观复相结构设计、成分分析和极化微区表征

本研究成果有望进一步推动储能电容的小型化，为电路系统的高效化、长寿命、高集成化提供新的助力。