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Microstructure control on optimizing energy storage performance for dielectric ceramic

通過微觀結構控制優化介電陶瓷的儲能性能

作者信息：
Minhao Zhang, Jinquan Zeng, Yiying Chen, Shun Lan, Yan Song, Yuanhua Lin ^*

State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100006

文章介紹：

近年來，全球經濟的持續發展增加了能源需求，從而加劇了能源危機，而相關的污染問題則促使社會對環境的關注日益增加。在這種情況下，急需開發高效的可持續清潔能源和高性能儲能設備。與通過電化學反應存儲能量的現有電化學設備（如電池或超級電容器）相比，介電電容器通過在外部電場作用下，因偶極極化而積累誘導電荷來存儲能量。這種儲能方式具有超快的充放電能力（從納秒到微秒）和較大的功率密度（最高可達MW/m3），由于其在現代電子和電氣設備中的廣泛潛在應用，特別是在脈沖功率系統中的需求，受到了越來越多的關注。目前，介電電容器已在醫療設備、脈沖激光器、混合動力電動汽車、閃光管、軍用設備和航空航天系統等廣泛的應用場景中得到利用。然而，介電材料的能量密度通常比電化學儲能組件低幾個數量級，這使得它們難以用于大規模儲能，并不能滿足日益增長的小型化要求。因此，具有更高能量密度和效率的介電材料是當前研究中的一個挑戰，急需發展。

在現有的高能量儲存介電材料研究中，主要的材料類型包括陶瓷、聚合物和納米復合材料，其中聚合物基材料由于其較高的擊穿強度和優異的加工性，更多應用于商業領域。然而，聚合物基介電材料存在能量密度低以及由于轉變溫度和嚴重的熱擊穿所導致的熱穩定性差等問題，這使得它們難以應用于高溫等惡劣環境。例如，商業使用的雙軸定向聚丙烯（BOPP）介電聚合物通常能量密度低于2 J/cm3，并且只能在85 °C以下保持較好的未退化介電性能。相比之下，介電陶瓷則具有較大的優勢，它們具有相對較高的介電常數，并且在多種或惡劣的應用環境中表現出較好的化學穩定性、溫度穩定性和循環穩定性。事實上，每年大約生產3萬億個多層陶瓷電容器（MLCCs），其中大多數使用典型的介電陶瓷BaTiO3（BT）作為材料，顯示出介電陶瓷的廣泛需求。

近年來的研究表明，介電微觀結構與其儲能性能之間有著密切的關系，并已被證明是優化儲能性能的重要因素。一般來說，不同尺度下的微觀結構對儲能性能的關鍵參數（如擊穿、效率或極化）有特定的影響。例如，在無機陶瓷體系中，宏觀的鐵電疇可以被分解成納米尺度的疇，這些納米疇具有更低的切換障礙，從而導致較小的滯后損失，提高了效率和可恢復能量密度。在較大尺度上，晶粒的參數對儲能性能有較強的影響。細化的晶粒或具有特定紋理的晶粒可以表現出更高的擊穿強度，從而提高能量密度。此外，引入次相并準確控制其存在形式是提高能量密度的一些有效方法。在介觀尺度上，不同介電材料的層狀結構以及中間層的設計被證明是結合不同介電材料優勢、實現優化儲能性能的有效方法（見表1）。盡管介電陶瓷可以在不同尺度的微觀結構上進行分層優化，但對于相關理論和潛在機制的闡明及解構仍然不足。簡而言之，進一步認識、解釋、利用和結合不同尺度的微觀結構設計，是推動介電材料在儲能性能方面發展的重要方向。