高性能介质电容器是现代脉冲功率器件（如激光器、新能源逆变器）的关键元件，用于快速存储和释放电能。为实现器件的小型化和集成化，电容器需要极高的能量存储密度。

但业界存在瓶颈，即现有基于钙钛矿结构材料（如 BaTiO₃、PbZrO₃等）的多层陶瓷电容器（MLCC）在提高储能性能方面遭遇了设计限制。

创新方案：高熵TTB结构电容器

针对以上问题，中国科学院上海硅酸盐研究所王根水研究员团队提出新的材料设计策略：

l 材料骨架：选用四方钨青铜（TTB）结构。

l 设计方法：采用多位点高熵设计，在TTB结构的A位点引入多组分等比例混合。“高熵”即通过多种元素混合，在晶体结构中引入高程度的无序或混乱，以获得特殊性能。

(a)基于TTB结构的多位点高熵设计，(b-c)TTB高熵陶瓷的介电和储能性能，(d) TTB高熵陶瓷的原子级EDS图

性能提升的机制

原子结构分析显示，A位点的无序打破了原有位点选择性，导致核心单元NbO₆八面体发生畸变。其中，Nb1原子优先沿极性c轴位移，Nb2原子则表现为面内无序。两种Nb位点不同的极化行为一方面扰动了长程铁电有序，另一方面在局域尺度上保留了沿极性c轴的强偏心位移。

这一独特的结构特性不仅增强了弛豫特性、降低了滞后效应，同时在外加电场下保持高的极化强度。这正是高性能电容器的理想特性。

关键成果

最终在 (Na_1/6K_1/6Sr_1/6Ag_1/6Ba_1/6La_1/6)₆Nb₁₀O₃₀ 高熵多层电容器中实现了：

l 高储能密度： 20.2 J.cm^-3

l 高储能效率： 93.8%

(a)TTB高熵电容器的形貌和元素分布，(b-f) TTB高熵电容器的储能和放电特性

该器件还表现出优异的疲劳稳定性和温度稳定性。这项研究为设计新一代高熵功能材料和介质电容器提供了新的独特方法。目前相关成果以“Harnessing Multi-site High-Entropy Architecture for Ultrahigh Energy Storage Multilayer Capacitors”发表在 Journal of the American Chemical Society (DOI:10.1021/jacs.5c12566) 。

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