科学网—北京邮电大学郭丽敏教授/清华大学赵培尧助理研究员团队最新成果：多离子共掺杂，破解无铅储能陶瓷“高极化”与“耐高压”的困局-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-4-29 14:20
| 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:
Huang J, Li J, Li M, et al. Chemical composition regulation to enhance the energy storage property of the lead-free relaxor ferroelectric. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221298
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221298
ResearchGate ： Chemical composition regulation to enhance the energy storage property of the lead-free relaxor ferroelectric
基金支持： 国家自然科学基金（ 52372101, 52472130, 52502139 ），北京邮电大学基本科研业务费（ 2025JCTP05 ），中央高校基本科研业务费（ 530524002 ），以及清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室项目（ 2025QHTC-ZZKYB002 ）。
导读：寻找无铅储能的“最优解”
在脉冲功率电容器的世界里，介电储能材料是当之无愧的“心脏”。随着全球对快速充放电、高工作电压及长寿命需求的激增，这类材料在混合动力汽车、高能武器点火等领域扮演着关键角色。然而，作为无铅铁电体的典型代表，钛酸钡（ BaTiO 3 ，简称 BT ）虽拥有高极化强度的“天赋”，却长期受困于击穿场强偏低的“短板”（通常 E b <1000 kV cm − 1 ）。
这就如同一个经典的“跷跷板”难题：想要高储能密度，往往需要牺牲击穿强度；想要耐高压，又容易导致极化不足。如何在 BT 体系中主动构筑纳米畴结构，同时保持其高极化性能，成为了横亘在科研人员面前的一道关键科学关卡。
图1 材料结构设计示意图
破题思路： A/B 位共掺杂的“双重奏”
为了打破这一僵局，北京邮电大学郭丽敏教授与清华大学赵培尧助理研究员团队另辟蹊径，采用传统固相反应法，成功制备了 (1 − x )BBT − x SLTT 陶瓷。研究团队并没有单一地调整成分，而是打出了一套 A/B 位多离子共掺杂的“组合拳”，旨在通过微观结构的精细调控，实现宏观性能的全面跃升。
1. A 位调控：打破长程有序，引入“极性纳米微区”
团队在 A 位引入 Bi 、 Sr 、 La 离子。这一策略如同在平静的湖面投下石子，成功破坏了 BT 原本僵硬的长程有序极化结构。这种“扰动”诱导了立方相（ C ）、四方相（ T ）和菱方相（ R ）的共存，并催生了极性纳米微区（ PNRs ）。 PNRs 的存在，就像无数个微小的“弹性储能单元”，不仅大幅降低了剩余极化，还赋予了材料优异的弛豫特性。
2. B 位改性：晶格收缩，筑牢“绝缘防线”
在 B 位引入 Ta 离子，则利用了其较小的离子半径引发晶格收缩。这种晶格畸变进一步促进了纳米极性团簇的形成，降低了极化翻转的势垒。更为关键的是，这种多离子掺杂设计显著提升了晶界活化能。这就好比在晶界处筑起了一道高墙，有效阻碍了载流子的迁移，从而大幅提高了材料的击穿场强。
图2 晶体结构和晶粒形貌表征
微观表征：看见“纳米团簇”
HAADF （高角环形暗场像）表征清晰地捕捉到了 1~3 nm 大小的极性团簇（ PNRs ），且极化方向各异。尽管处于弛豫态，材料仍保持了较强的局部极化强度（原子平均位移达 14 pm ），这正是高储能密度的微观来源。 XRD 与 Rietveld 精修进一步证实， 0.95BBT-0.05SLTT 样品呈现出 C/T 相共存的特征，且随着掺杂量增加，晶格发生明显收缩。
图3 纳米极性微区表征
宏观性能：刷新性能记录
在 1150 kV cm -1 的超高电场下， 0.95BBT-0.05SLTT 陶瓷展现出了极细的电滞回线（ P-E loops ），这意味着极低的能量损耗。最终，该材料实现了 15.3 J cm -3 的超高储能密度和 82.4% 的高效率。这一成绩不仅突破了 BaTiO 3 基陶瓷的性能瓶颈，更在同类无铅材料中脱颖而出。
图4 储能性能与应用验证
功率特性：极速充放电
除了“存得多”，它还能“放得快”。在 500 kV cm -1 电场下，其放电时间 t 0.9 仅为 15 ns ，实现了 890 A cm -2 的高电流密度和 223 MW cm -3 的超高功率密度。这种超快的充放电能力，使其在脉冲功率领域极具应用潜力。
结论与展望
本工作通过 A/B 位多离子共掺杂策略，巧妙地利用极性纳米微区调控与晶界活化能提升机制，成功解决了无铅介电储能材料中高储能密度与高击穿场强难以兼顾的难题。这一成果为下一代环保型脉冲功率电容器的研发提供了极具潜力的候选材料，也为钙钛矿结构的功能设计提供了新的范式。
作者及研究团队简介
郭丽敏（通讯作者） ，北京邮电大学教授， 长期致力于介电、铁电陶瓷材料微纳结构设计、物性研究与器件制备。先后主持国家自然科学基金青年 / 面上项目、省重点项目、企事业单位等项目。以第一或者通讯作者在 Nature Communications ， Energy & Environmental Science ， Advanced Functional Materials 等顶级期刊发表学术论文 50 余篇，总引用 4000 余次， h 因子 35 。
作者邮箱： guolimin@bupt.edu.cn
赵培尧（通讯作者） ，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室助理研究员，主要从事介电储能陶瓷材料及器件研究，以第一作者或通讯作者发表论文 10 余篇。
作者邮箱： zhaopytsinghua@163.com
惠可臻（通讯作者） ，陕西师范大学讲师。主持中央高校业务经费，新型陶瓷材料国全国重点实验室开放课题等，围绕铁电材料的光能转化、功能陶瓷材料等方向开展研究，累计发表论文20余篇。
作者邮箱： kezhenhui_thu@126.com
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Zhao P, Jiang Y, Wang H, et al. BaTiO 3 -based multilayer ceramic capacitors with superior stability in energy-storage and pulse properties. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(4): 9221264. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221264
2 ） ZHAO P, CAI Z, WU L, et al. Perspectives and challenges for lead-free energy-storage multilayer ceramic capacitors. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(6): 1153-1193. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0516-8
《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 34 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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主题：极性纳米微区