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南昌航空大学毛蒲/英国利兹大学Zhilun Lu和西交大娄晓杰综述：钛酸铋钠基陶瓷多尺度协同设计与不同电场下储能性能优化精选

已有 6738 次阅读 2026-10-9 10:48 |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:

Mao P, Zhao X, Kang R, et al. Multiscale synergistic design for enhanced energy storage performance in Bi_0.5Na_0.5TiO₃-based lead-free dielectrics under various electric fields. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(9): 9221358. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221358

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221358

ResearchGate：Multiscale synergistic design for enhanced energy storage performance in Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -based lead-free dielectrics under various electric fields

一、导读

电介质电容器凭借其高功率密度和极快的充放电速率，已成为先进脉冲功率系统的核心器件。然而，如何同时满足大储能密度与高效率的应用需求，一直是该领域发展的关键问题。在众多无铅陶瓷材料中，钛酸铋钠（Bi_0.5Na_0.5TiO₃，简称BNT）基弛豫铁电体因具备高自发极化及独特的介电常数-温度峰值（Tₘ）特性，近年来在电介质储能领域备受瞩目。但该体系在不同应用场景下所承受电场强度差异很大：小型化器件偏重低场能效，功率模块常处中场高可靠区间，极端脉冲电容则要求高场高击穿承受能力。如何将“极化响应-弛豫行为-击穿特性-微观结构”系统优化，从而实现BNT基陶瓷在不同电场下呈现优异储能性能极具挑战。近期，南昌航空大学毛蒲/英国利兹大学Zhilun Lu和西安交通大学娄晓杰等《Journal of Advanced Ceramics》发表综述，系统梳理了电介质陶瓷的储能理论与BNT基陶瓷的物理特性和发展历程，重点从配方设计、相界与弛豫调控、缺陷与微观结构演变到宏观电学性能强化的多尺度协同策略，系统阐述了BNT基陶瓷在低电场（< 300 kV/cm）、中电场（300-500 kV/cm）和高电场（> 500 kV/cm）下储能性能的研究动态和理性设计原则。最后，对未来研究所面临的挑战与新机遇、潜在发展方向，以及BNT基陶瓷在先进电介质电容器中的应用前景进行了探讨，同时为高性能无铅介电陶瓷的设计制备提供理论指和设计思路。

二、研究背景

介电电容器凭借超高功率密度、纳秒级充放电、长循环和优良耐热性，在脉冲电源、车载逆变器、可再生能源并网、军工电子等场景不可替代。传统铅基铁电材料性能优异但受环保法规与终端无铅化趋势限制。钛酸铋钠（Bi_0.5Na_0.5TiO₃，简称BNT）基无铅弛豫铁电体自极化强度高、介电可调性好、通过组分设计可兼顾高极化与低剩余极化，在无铅介电储能领域备受青睐。但 BNT 体系高自发极化常伴随大剩余极化和高滞回，降低储能效率；长程铁电有序强会限制电场下的线性可逆极化；高场下击穿强度不足、晶粒与晶界缺陷诱导漏电和早期失效；低场应用又要求尽可能用小电场获得足够可恢复能量。过去研究多围绕 A/B 位掺杂、相界工程、弛豫化、线电介质复合等单点改进，缺少按电场强度分级、从原子-纳米-微米-宏观多尺度贯通的设计方法论。因此，该综述即针对以上问题，建立“电场区间-性能瓶颈-微结构杠杆”的对应关系，系统讨论不同应用电场下高性能BNT基陶瓷的理性设计与优化策略具有重要意义。

三、文章亮点

1. 理论—指标一体化梳理：归纳介电储能可恢复密度、效率、极化差、击穿场强等核心参数的物理来源，明确极化响应、弛豫程度、介电损耗、晶粒晶界与击穿统计对储能密度和效率的耦合影响。

2. 低/中/高电场设计策略概括：低场（<300 kV/cm）侧重降低剩余极化、构建纳米极化区与弛豫化，提升小电压下效率；中场（300–500 kV/cm）通过相界、多离子替代和细晶化兼顾高极化与高击穿；高场（>500 kV/cm）强调致密度、晶界阻挡、缺陷抑制与宏观均质化以提升耐击穿能力，形成有效可行的材料设计思路。

3. 多尺度协同而非单点改性：从离子掺杂/空位缺陷的原子尺度随机场调控，到纳米极化区、畴结构的中尺度弛豫设计，再到晶粒尺寸、致密度、宏观陶瓷均质化的微宏观协同，系统说明“如何同时把极化做高、把滞回做小、把击穿做高”。

4. 无铅体系开发与实际应用展望：聚焦块体 BNT 基无铅体系，兼顾环保理念与陶瓷可控制备，讨论其在脉冲电容、车载电子、电网储能变流等场景的适配边界，并给出未来在宽温稳定性、循环可靠性、高通量组分筛选方面的展望，对无铅材料的器件化应用具有一定的参考价值。

五、作者及研究团队简介

毛蒲（第一作者/通讯作者），南昌航空大学材料科学与工程学院副教授，硕士研究生导师。2020年博士毕业于西安交通大学。主要从事巨介电陶瓷材料、电介质储能材料及压电催化等相关领域的研究工作。主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金等多项科研项目。目前，在Journal of Advanced Ceramics、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of the European Ceramic Society 等国际期刊上发表SCI论文70余篇，申请或授权发明专利5项。担任Journal of Materials Science: Materials in Engineering期刊副编辑，Microstructures和Journal of Advanced Dielectrics期刊青年编委，Journal of Advanced Ceramics期刊博士审稿团成员，并担任Nature Communications、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等多个国际期刊审稿人。

赵昕阳（第二作者），南昌航空大学材料科学与工程学院2024级硕士研究生，研究方向为钛酸铋钠基、钛酸铋钾基弛豫铁电陶瓷的成分设计及储能性能优化。

Zhilun Lu（通讯作者），英国利兹大学化学与过程工程学院电子与能源材料方向的助理教授。2016年于英国谢菲尔德大学获博士学位并荣获“优秀博士论文奖”，此后先后任职于德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心、谢菲尔德大学亨利·罗伊斯研究所及英国爱丁堡龙比亚大学，2023年起任教于利兹大学。其课题组长期致力于无铅功能陶瓷的成分—结构—性能关系研究，综合运用阻抗谱、中子散射（ILL、ISIS）与同步辐射衍射（Diamond Light Source）等手段，揭示原子尺度结构与“电学微结构”对器件性能的调控机制，研究方向涵盖储能电介质与反铁电材料（含高熵陶瓷）、固态电卡制冷材料、面向SiC/GaN功率电子的高温电介质、压电与铁电陶瓷，以及5G/6G微波毫米波陶瓷等。截至目前，他已发表SCI论文85篇（其中约85%发表于Q1期刊），被引6000余次，h指数36，i10指数67；代表性成果发表于Nature Physics、Physical Review Letters、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等期刊。作为项目负责人，曾获英国工程与自然科学研究理事会（EPSRC）New Investigator Award资助（65.3万英镑），开展面向下一代功率电子的高熵电介质陶瓷研究；相关工作亦被欧盟委员会2022年RoHS指令豁免评估引用。他入选斯坦福大学/爱思唯尔“全球前2%顶尖科学家”榜单（2023—2025），并获RINENG青年学者奖（2023）、《Journal of Advanced Dielectrics》最佳论文奖（2024）等荣誉，同时担任Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等30余种期刊审稿人。

娄晓杰（通讯作者），西安交通大学教授、博导，前沿院先进电子中心主任；2007年博士毕业于英国剑桥大学，同年入选新加坡李光耀博士后研究员，并在新加坡国立大学材料科学与工程系工作；2016年入选西安交通大学青年拔尖人才（A类），2022年入选陕西省首批秦创原战略科技人才，2023年入选陕西省秦创原 “科学家+工程师”队伍首席科学家，2025年荣获西安交通大学企业冠名“伯乐奖”一等奖，入选西安交通大学“珠峰计划”(综改试验班)导师，2020-2025年连续六年入选全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力排行榜”。其主要研究方向是铁电和压电材料与器件，迄今主持或承担包括国家自然科学基金在内的科研项目共十余项，在Phys Rev Lett、Nat Comm、Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Lett、Phys Rev B、Appl Phys Lett、Acta Mater等学术期刊发表论文200余篇，论文被引13000余次，H指数为68。

《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，清华大学出版社有限公司出版，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；2026年6月发布的影响因子为14，连续6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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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。