研究背景

随着现代电子设备对高性能电容器需求的不断增加，特别是在脉冲功率系统、电动汽车和光伏发电等领域，这一趋势尤为明显。然而，传统陶瓷电容器在能量储存密度和效率方面仍存在显著的局限性。最近，高熵铁电陶瓷在协同提升储能性能上展现出巨大的潜力。然而，大多数研究把高熵效应等同于平均结构的变化，忽略了元素化学有序性和极化异质性之间的关系及其对性能的影响机制。

研究成果

近日，受高熵合金中元素短程有序启发，中南大学张斗教授团队与清华大学南策文院士、林元华教授团队紧密合作，提出一种高熵陶瓷中化学短程有序策略，调控极化响应，从而获得超高的储能密度~16.4J/cm3和效率~90%。该工作于2025年1月18日发表在Nature communications上(https://doi.org/10.1038/s41467-025-56181-6)，中南大学博士生魏彤昕和邹金住为该工作的共同第一作者。

1、理论计算证明策略有效性

理论计算证明策略有效性如图一，首先通过相场仿真来研究该策略在调控极化响应中的有效性。假设在高熵基体中存在化学短程有序的元素，这些元素能够降低局部极化翻转的势垒，因此在外电场下，这些区域的极化能够更灵活地响应，并促进周围基体的响应，利于获得高的饱和极化强度和低的剩余极化强度，导致优异的储能性能。为了验证该策略，研究团队基于经典的钛酸铋钠弛豫铁电陶瓷，设计了A位等摩尔高熵铁电系统(Bi0.2Na0.2K0.2La0.2Sr0.2)TiO3。密度泛函计算显示Nb能够在BNT系统中产生短程有序，削弱局部铁电畸变，导致极化翻转势垒的降低。

图一 高熵铁电系统中设计短程有序的总体策略。(a)-(d)相场仿真揭示，如果短程有序的元素能够降低局部铁电势垒，能显著促进基体的极化响应，利于在大电场下获得高的饱和极化和低的剩余极化，从而获得优异的储能性能。(e)-(f)研究团队基于经典的弛豫铁电陶瓷钛酸铋钠，首先设计一个A位等摩尔高熵体系。高熵策略的引入，细化了铁电畴并导致菱方(R)-四方(T)-顺电(C)的多相共存结构。(g)在此基础上，研究团队进一步引入能够产生化学短程有序并降低局部铁电翻转势垒的元素Nb（具体分析见图二的密度泛函计算），来实现上述策略。

图二 (a)密度泛函计算证明Nb能够在BNT基体中产生化学短程有序，(b-d)并能显著降低局部铁电翻转的势垒。因此，研究团队在A位高熵系统的B位引入Nb来实现设计策略，用以调控极化响应。

2、超高的储能密度和平均结构分析

研究团队从实验上验证该策略的有效性，在(Bi0.2Na0.2K0.2La0.2Sr0.2)TiO3中引入Nb元素（简写为BNKLSTN5），展现出超高的综合储能性能~16.4J/cm3和高效率~90%。为了进一步分析A位高熵和B位化学有序对显微结构的影响机制，研究团队首开展了介电、原位XRD及原位拉曼等测试，结果表明其平均相结构呈现出更多的弱极性相P4bm和顺电Pm3m相，且相结构和局域结构表现出温度稳定性，利于温度稳定的储能性能。

图三储能性能测试和性能对比

图四 平均结构分析。对比图(a)的纯BNT和图(b)的A位高熵铁电系统，如图(c)，在引入A位高熵策略和B位化学短程有序策略后，Tm温度被调控至低温，且呈现出明显的频率色散现象。如图(d)-(g)，进一步的XRD结构表明BNKLSTN5具备更多的弱极性和非极性相结构，在后面的原位TEM结果中将证明，电场诱导的非极性相——弱极性相转变利于高的储能密度和储能效率。图(h)-(m)为原位温度相关的XRD和拉曼结果，表明相结构和局域结构的温度稳定性，利于储能性能在宽温范围的性能稳定。

3、原子尺度结构表征及原位TEM

通过原子尺度的HADDF观察，研究团队观察到了Nb在高熵基体中的化学短程有序现象。这些短程有序的Nb能够进一步细化PNR(~1-2nm)，并促进局域铁电畸变的降低（即降低的局部极化翻转势垒）。这些观察结果证明了研究团队的策略成功引入到了高熵系统中。更进一步，原位加电场TEM观察到电场导致的非极性相Pm3m到弱极性相P4bm的转变，这导致在加电场过程中极化快速响应形成长程有序，导致高的饱和极化。在撤除电场后P4bm相迅速转变为Pm3m相并伴随长程有序的消失，导致降低的剩余极化，验证了BNLSTN5中获得超高储能密度的内在机制，能够为未来高熵弛豫铁电陶瓷的设计提供新的思路。

图五 原子尺度HADDF观察和原位加电场的TEM观察。如图(a)-(j)，通过原子尺度HADDF，观察到了在高熵基体中Nb的短程有序现象，这种短程有序利于极性纳米微区的进一步细化，以及弱极性和非极性相的产生。如图(k)-(l)，通过原位TEM，观察到在外场下Pm3m到P4bm的转变，以及极化从PNR到长程有序的形成。在撤除外电场后，长程有序迅速转化为PNR，P4bm迅速转变为Pm3m相，这利于大的饱和极化和低的剩余极化，利于获得优异的综合储能性能。

论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56181-6