儲能電介質(zhì)是電能變換、脈沖功率及新能源汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵電力裝備的核心材料，其儲能性能直接影響電力裝備安全可靠運行水平，因此科研人員在提升電介質(zhì)材料儲能性能方面開展了大量研究。目前尚未解決的瓶頸問題是：室溫下性能良好的材料體系在高溫環(huán)境中的儲能性能顯著下降，導(dǎo)致其在設(shè)備運行溫升及高溫工作場景中難以可靠應(yīng)用。這一瓶頸源于雙重高溫失效機制：高溫相變鐵電疇消失導(dǎo)致的極化強度衰減以及電導(dǎo)隨溫度指數(shù)級增長引發(fā)的漏電流和電擊穿，使得現(xiàn)有材料難以滿足高端介電儲能器件對高溫高可靠性的嚴苛需求。

針對這一挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)科研團隊提出了創(chuàng)新解決方案：在三臨界鐵電材料(Ba,Sr)(Ti,Sn)O中加入反鐵電誘發(fā)劑Bi3+、Zn2+、Nb5+，并控制燒結(jié)工藝使其在材料局部區(qū)域富集，形成納米尺度相分離的自組裝三臨界弛豫（三弛豫）-反鐵電納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該方法設(shè)計的材料共格界面可引發(fā)深陷阱，克服了傳統(tǒng)納米電介質(zhì)界面不連續(xù)造成的缺陷效應(yīng)，使得體系兼具寬溫域三弛豫相變導(dǎo)致的高極化強度以及溫升條件下高擊穿場強。

圖1 自組裝三弛豫-反鐵電納米復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，三弛豫-反鐵電納米復(fù)合陶瓷(1-x)(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3-xBi1.5ZnNb1.5O7體系兼具高儲能密度、高儲能效率及儲能溫度穩(wěn)定性。性能最優(yōu)成分的三弛豫-反鐵電納米復(fù)合界面誘導(dǎo)出深陷阱，材料擊穿場強達到690kV/cm，極化強度達到27.5μC/cm2，儲能密度達到8.5 J/cm3，儲能效率達到94.5%；在200℃高溫下仍保持儲能密度>4.85 J/cm，儲能效率>90%，如圖2所示。這為兼具高儲能性能與溫度穩(wěn)定性的新一代高性能介電陶瓷的開發(fā)提供了新策略。

(a)不同溫度下的儲能性能 (b)不同溫度下的儲能品質(zhì)因數(shù)

圖2 電介質(zhì)陶瓷變溫儲能性能綜合對比

該研究成果以《Superior Energy Storage Performance in a Self-organized Trirelaxor-antiferroelectric Nanocomposite over a Wide Temperature Range》為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上，論文第一通訊單位為西安交通大學(xué)電工材料電氣絕緣全國重點實驗室，徐靖喆博士、劉泳斌副教授、王棟教授為共同第一作者，高景暉教授與任曉兵教授為共同通訊作者，合作作者包括西安理工大學(xué)何立副教授，西安交通大學(xué)鐘力生教授、吳明副教授、姚睿豐博士、張楠教授、婁曉杰教授、李盛濤教授。