科学网—桂林理工大学宁文郅/胡长征等：高熵策略协同能带工程，提升钨青铜结构陶瓷储能性能-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-3-10 11:03
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Ning W, Xie J, Tang L, et al. A high-entropy strategy for enhancing energy storage performance and enabling ultrafast discharge in tungsten bronze ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221260
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221260
ResearchGate ： A high-entropy strategy for enhancing energy storage performance and enabling ultrafast discharge in tungsten bronze ceramics
基金支持：
国家自然科学基金（ 12164012 ）、广西科技计划项目（ AA25069001, AD25069100 ）
一、 导读
随着高功率脉冲技术的发展，对储能电容器材料提出了更高要求：不仅要有高能量密度，还要具备超快放电能力和高温稳定性。然而，传统介电陶瓷在高电场下易击穿、能量效率低等问题长期制约其应用。
桂林理工大学宁文郅 / 胡长征提出一种 “ 高熵设计 + 能带工程 ” 协同调控策略，成功制备出一种新型钨青铜结构无铅弛豫铁电陶瓷，实现了可恢复能量密度达 7.93 J·cm -3 、效率高达 94.25% 的优异储能性能，并具备超快放电时间（ 1.56 μs ）和高功率密度（ 155.41 MW·cm -3 ）。该研究为高性能脉冲电容器材料设计提供了新思路。
二、 研究背景
介电陶瓷因其超高功率密度和快速充放电能力，在脉冲功率系统中具有不可替代的地位。然而，传统铁电陶瓷往往面临极化饱和快、击穿场强低、能量损失大等问题。钨青铜结构因其丰富的阳离子位点和结构可调性，成为弛豫铁电材料的研究热点。如何通过原子尺度调控实现极化行为与击穿强度的协同优化，是该领域的核心挑战。
三、文章亮点
（ 1 ）将高熵策略与带隙工程协同引入钨青铜陶瓷，通过 Ta 掺杂提升构型熵（从 2.04R 增至 2.35R ）和带隙（从 3.09 eV 增至 3.20 eV ），显著提升击穿场强。
（ 2 ）微观机制揭示充分：通过 TEM 、 PFM 等手段，证实高熵诱导的局域结构无序和极性纳米区域的形成，是提升弛豫特性和储能性能的关键。
（ 3 ）实现了 7.93 J·cm -3 的可恢复能量密度及能量效率： 94.25% 。
四、研究结果及结论
本研究通过固相反应法制备了系列高熵钨青铜陶瓷 Ba 2.38 Sr 2.12 Sm 0.5 Gd 0.5 Ti 1 Zr 1 Nb 8- x Ta x O 30 ，首先对其物相与结构进行分析，成功合成了单相四方钨青铜结构（空间群 P 4bm ）陶瓷，所有掺杂离子均进入晶格形成均一固溶体。 Rietveld 精修和拉曼光谱分析表明，随着 Ta 含量和构型熵的增加，晶胞收缩， BO 6 八面体畸变加剧，体系无序度提高。
图 1 ： XRD 衍射分析以及拉曼光谱分析
弛豫铁电体由于具有纤细的电滞回线和高储能效率，是实现高性能储能电容器的理想材料，因而弛豫特性对于陶瓷实现优异储能性能至关重要。对样品进行了介电温谱测试，所有样品均表现出典型的弛豫铁电体特征。 Ta-0.5 陶瓷具有最大的弥散系数 γ （ 1.55 ）和较低的激活能 E a （ 0.097 eV ），表明其具有最强的弛豫行为和最灵敏的极化翻转响应。
图 2 ：介电温谱测试及分析
根据 P–E 曲线，通过积分可以计算出材料的可回收储能密度，测得 Ta-0.5 陶瓷的击穿强度为 830 kV·cm -1 ，可回收能量密度达到 7.93 J·cm -3 ，储能效率保持在 94.25% 的高水平。
图 3 ：铁电性能测试及分析
五、作者及研究团队简介
第一作者，宁文郅， 桂林理工大学材料科学与工程学院硕士研究生。
通讯作者，胡长征， 桂林理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。从事钨青铜结构陶瓷的铁电、介电及催化性能研究。先后主持国家自然科学基金 2 项、广西自然科学基金 3 项。获得广西自然科学奖二等奖 2 项。以第一作者或通讯作者在 Nano Energy 、 Journal of Advanced Ceramics 、 Materials Today Chemistry 等期刊发表 SCI 收录论文 40 余篇；出版专著 1 部；获得授权国家发明专利十余件。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Dan Y, Tang L, Ning W, et al. Achieving enhanced energy storage performance and ultra-fast discharge time in tungsten–bronze ceramic. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(9): 1349-1358. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220939
2 ） Jin Z, Su B, Wu S, et al. Tribocatalytic recycling of lithium-ion batteries. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(8): 9221121. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221121
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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