新成果解开储能陶瓷“跷跷板”困局

近年来，新能源产业蓬勃兴起，高功率储能材料成为支撑电力装备、脉冲电源发展的关键基础，市场需求持续攀升。介电陶瓷电容器具备充放电速度快、功率密度突出的特点，是高端电力装备里不可或缺的核心元器件，但它有个“心结”：储能密度与储能效率难以兼顾。想要储存更多电能，能量损耗就会随之升高；追求高储能效率，材料可存储的电能容量又会受到制约，这一矛盾阻碍了陶瓷电容器小型化、低能耗的发展进程。

为攻克这一行业“老大难”问题，聊城大学与多所国内外高校合作，近期在储能陶瓷材料上闯出了一条新路。他们用一套“三重协同”的组合拳，融合中熵超顺电设计、微观局域结构畸变调控、板状钛酸铋第二相原位构筑三条技术路径，为介电陶瓷材料设计开辟新方案。让一种无铅陶瓷不仅单位体积存储的电量大幅提升，充放电过程中的能量损耗也显著降低，其综合性能达到国际先进水平。研究成果发表于《自然·通讯》。

研究人员在钛酸锶基陶瓷取得的性能突破 聊城大学供图

具体而言，研究人员通过化学调控手段，在钛酸锶基陶瓷材料内部构建大量极性纳米微区，以此增强材料储存和释放电荷的本征能力。与此同时，研究人员在陶瓷基体中原位生成板状第二相物质，如同在材料内部布设微型防护屏障，能够有效阻断电击穿传导通路，大幅提升材料耐受高压的能力，从微观结构层面同时破解容量不足、耐压较差两大痛点。

实验测试表明，经过改性优化的钛酸锶基陶瓷，储能密度可达10.31焦耳每立方厘米，储能效率高达90.9%。该材料还拥有优异的温度适应性、稳定的充放电表现以及超长循环使用寿命，成功实现储能密度与储能效率的同步跃升。

研究团队指出，该材料体系不含铅等有害元素，从源头上满足绿色电子器件的环保标准。这意味着，它不仅在储能电容器领域具备产业化前景，更有望为环保型介电陶瓷的后续研发提供一条新的设计路径。

下一步，团队将继续推进产学研深度融合，重点攻关介电储能器件功率密度、服役寿命等工程难题，为我国高功率脉冲电源核心元器件国产化替代积累坚实的技术基础。