文章介绍：

近年来，凭借超高功率密度和快速充放电速度等优点，介质电容器因在高功率/脉冲功率领域（如动能武器、混合动力电动汽车等）的潜在应用而引起了越来越多的研究兴趣。与其他电化学储能单元（锂离子电池等）不同，介质电容器通过电场诱导极化来存储和释放电能，其原理基于以下公式：

其中 WtotWtot​、PmaxPmax​ 和 EE 分别表示充电能量密度、最大极化强度和施加的电场。然而，极化翻转通常滞后于外电场 EE，导致剩余极化强度 PrPr​ 和部分能量以热量形式耗散（WlossWloss​）。因此，可恢复能量密度 WrecWrec​和效率 ηη 可表示为：

该关系表明，WrecWrec​ 主要由极化差值（ΔP=Pmax−PrΔP=Pmax​−Pr​）和击穿强度 EbEb​ 决定，而最小化 PrPr​ 对于实现低 WlossWloss​ 和高 ηη 至关重要。

弛豫铁电体以其独特的介电响应为特征，是电容储能最有前景的候选材料之一。通过破坏长程铁电畴形成极性纳米微区来调控弛豫行为，是提升储能能力的典型策略。然而，要在弛豫铁电体中实现高 WrecWrec​，需要在外电场下获得高 PmaxPmax​，这不可避免地由于强偶极-偶极关联而导致大的 PrPr​ 和高 WlossWloss​，从而对 ηη 产生不利影响。例如，将顺电相 NaTaO₃ 与铁电相 BiFeO₃-BaTiO₃ 复合以获得弛豫铁电特性时，在 550 kV cm⁻¹ 下表现出约 43 μC cm⁻² 的高 PmaxPmax​ 和约 6.5 μC cm⁻² 的大 PrPr​，产生了高 WrecWrec​（10.3 J cm⁻³）但较低的 ηη（68%）。尽管弛豫铁电体的性能优化已很普遍，但克服 WrecWrec​ 与 ηη 之间的权衡关系仍是一个持久挑战。为缓解这一限制，研究者提出了多种优化策略，包括畴工程、局域结构修饰、化学框架设计、多层设计以及高熵策略等，这些策略在无铅弛豫体中实现了兼具高 WrecWrec​ 和高 ηη 的优异储能性能。例如，BaTiO₃ 基高熵陶瓷电容器在变化温度和电场下表现出高度稳定的局域结构，从而获得了 10.9 J cm⁻³ 的高 WrecWrec​、93% 的优异 ηη 以及出色的温度和循环可靠性。此外，在 A 位高熵（Ca,Sr,Ba,Mg,La,Bi,Na）TiO₃（源于 Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃）中发现了无序的极化分布和超小的极性纳米微区（约 1 nm），结果同时实现了 10.1 J cm⁻³ 的高 WrecWrec​ 和 90% 的高 ηη。

铋铁酸铋（BiFeO₃，BFO）基铁电陶瓷，尤其是具有准同型相界的 BFO-BTO，因其巨大的自发极化（约 40 μC cm⁻²，优于其他无铅铁电陶瓷）而成为电容储能领域极具吸引力的体系。然而，强铁电性也导致在去除外电场后产生约 25 μC cm⁻² 的大 PrPr​，从而造成高 WlossWloss​ 和低 ηη（<50%）。此外，高温烧结过程中 Bi³⁺ 的挥发和 Fe³⁺ 的可变价态增加了 BFO 陶瓷中的缺陷浓度，导致漏电流增大和电阻率劣化。也就是说，低 EbEb​ 在 BFO 基陶瓷中普遍存在。这些缺点极大地限制了它们在尖端高功率/脉冲功率电子器件中的进一步应用。

针对这一限制，本文提出了一种高熵弛豫策略，以打破高 PmaxPmax​ 与低 PrPr​ 之间的矛盾，并提高 EbEb​，从而改善 BFO 基陶瓷的储能性能。将包含六种不同离子半径和价态的阳离子的复杂钙钛矿端元 Sr(Mg,Ti,Zr,Nb,Ta)O₃ 引入到 0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃（BBFT）基体中，以同时增强原子无序和晶格畸变。该方法促进了更细的多型纳米微区的形成，同时提供了比母体结构更平坦的畴翻转路径。同时，这种通过提高熵值实现的组分驱动过程，放大了各向同性极化矢量的无序性，从而为极化增强提供了更大的空间自由度。通过在不牺牲极化的条件下增强畴翻转动力学，并促进晶粒细化和带隙展宽，高熵弛豫策略在介质陶瓷中实现了更高的 EbEb​，从而获得了增强的综合储能能力。最终，0.45BiFeO₃-0.3BaTiO₃-0.25Sr(Mg,Ti,Zr,Nb,Ta)O₃（BBFT-0.25SM）组分实现了 11 J cm⁻³ 的 WrecWrec​ 和 92% 的 ηη。这些结果标志着高熵介质陶瓷在实现巨大储能容量方面取得了突破。

中文摘要：

无铅弛豫铁电陶瓷因其卓越的功率密度和超快充放电能力，被视为先进脉冲功率系统的潜在材料。然而，同时实现高可恢复能量密度（WrecWrec​）和高效率（ηη）仍是一个策略性挑战，因为增强极化通常会导致迟滞损耗的增加。鉴于此，本文在 BiFeO₃ 基陶瓷中提出了一种高熵策略，以形成高动态多型极性纳米微区（PPNs）。原子尺度结构表征表明，具有强极性幅度（20.3 pm）的纳米级 PPNs（2–5 nm）能够降低畴翻转的能垒，从而在保持高极化的同时减小极化迟滞。最终，该材料实现了优异的储能性能：WrecWrec​ 高达 11 J/cm³，ηη 高达 92%。这一方法验证了高熵策略在设计高性能电介质方面的有效性，为下一代储能电容器铺平了道路。