近日，我校材料科学与工程学院杨海波教授团队在国际顶级学术期刊、Nature旗下子刊《Nature Communications》上，发表了题为“Heterogeneous Weakly Coupled Polar Nanoclusters Enabling Superior High-Temperature Capacitive Energy Storage”的重要研究论文。我校杨海波教授、湖北大学郭金明教授、中国石油大学（北京）牛迎春副教授和清华大学乌镇实验室姚方周副研究员为共同通讯作者，陕西科技大学电智学院袁启斌教授、材料学院博士生郑秉龙和材料学院林营教授为共同第一作者，陕西科技大学为第一通讯单位。
介电陶瓷储能电容器凭借超快充放电速度、超高功率密度的核心优势，是新能源汽车车载电源、航空航天电力系统、油气勘探井下装备等高端领域脉冲功率器件的核心基础材料。在上述极端工况中，器件需长期在150 ℃及以上的高温环境下服役，对介电材料的储能密度、转换效率与环境稳定性提出了极高的要求。然而，当前主流的弛豫铁电介电材料，其储能性能普遍对温度变化敏感，高温下性能大幅衰减，无法满足宽温域长期稳定服役的核心需求。材料的宏观储能性能由微观极化响应行为直接决定，要从根源上破解这一行业瓶颈，必须厘清极化响应的调控机制。从热力学角度看，畴尺寸是调控材料极化响应的核心关键，充分细化畴尺寸、弱化畴间耦合作用，可实现理想的可逆极化，减小极化滞后、缓解极化过早饱和问题，而这一优异特性恰好可在超顺电态中实现。相较于强耦合的微/纳米畴结构，超顺电态下的弱耦合极性纳米团簇兼具超快速极化响应与宽温域温度不敏感的双重优势，为破解介电陶瓷高温储能性能衰减的行业共性难题，提供了核心的微观结构设计思路。
图1 超顺态电介质中弱耦合极性纳米团簇的设计策略
图2 极性结构的相场模拟
图3 局域结构表征
图4 SLZ15-MLCCs的储能特性
基于上述科学认知，杨海波教授团队以BaTiO3-Na0.5Bi0.5TiO3为基体，通过引入Sr2+、La3+和Zr4+异价离子调控体系局部随机场强度，打破了基体中原有的长程有序强耦合微畴结构，成功诱导生成尺寸小、耦合作用弱的极性纳米团簇。该材料形成了“R相、T相极性纳米团簇嵌入C相准电矩阵”的极化构型，团队通过精准调控R相、T相与C相的极性/非极性态比例，实现了极化滞后最小化与极化强度最大化的协同优化。同时，这种弱耦合极性纳米团簇可发挥独特的“钉扎”效应，有效抑制原子热振动引发的局部结构畸变，大幅提升了材料相结构在宽温域内的稳定性。该研究实现了介电陶瓷高温储能性能的重大突破：基于该材料制备的多层陶瓷电容器（MLCCs）展现出极为优异的宽温域储能性能，在160 ℃高温严苛环境下，实现了Wrec ＞ 10.0 J/cm3、η ＞ 95.0%的高性能指标。该成果为下一代高温稳定型介电电容器的设计与开发提供了全新的理论依据与技术路径。
原文链接：
10.1038/s41467-026-69631-6
（核稿：伍媛婷 编辑：刘倩）
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