介电陶瓷电容器由于具有高功率密度和超快的充电和放电速率，因此是先进电子和电力系统中的基本能量存储组件。然而，对于介电陶瓷的实际电容器应用而言，同时实现高能量存储密度，高效率和出色的温度稳定性一直是巨大的挑战。

近日，清华大学王晓慧教授，南方科技大学汪宏教授报道了一种多尺度优化策略（包括原子尺度，晶粒尺度和器件尺度设计），用于制备具有超高储能密度，高效率，出色的温度稳定性和循环稳定性的高性能储能多层陶瓷电容器（MLCCs）。

文章要点

1）研究发现，在原子尺度上，具有钙钛矿结构的弛豫铁电体具有高的电场诱导极化、低的剩余极化、高的E_b和高的η，使其成为最有前途的储能应用候选材料之一。在BaTiO₃体系中添加Bi(Zn_2/3(Nb_0.85Ta_0.15)_1/3)O₃打破了典型铁电材料的长程极性有序性，产生了弛豫铁电体的局部极性纳米区(PNRs)。

2）在晶粒尺度上：在BTBZNT颗粒表面引入SiO₂包覆层，使烧结后形成完善的晶粒核壳结构，使击穿路径在绝缘SiO₂层上耗散更多的能量。具有更高的击穿能，并消耗更多的能量，从而产生更高的击穿强度。

3）在器件尺度上：通常情况下，电子会从电极注入到介质中，在高电场或高温下，这种情况会非常严重。电子注入会扭曲局部电场，增大漏电流，导致击穿强度降低，效率降低。因此，在电极与介质的界面处引入SiO2势垒，可以提高电子注入的肖特基势垒，降低漏电流和电场浓度，从而大大改善E_b、η和温度稳定性。此外，储能MLCC将有利于介质层具有更低的孔隙率、更细的晶粒尺寸、更薄的层厚度和更大的容量。

4）基于上述多尺度优化策略，研究人员设计并制备了以低成本60Ag/40Pd为内电极的BTBZNT@SiO₂储能MLCC。BTBZNT陶瓷具有良好的介电性能、与Ag/Pd电极相容性好、晶粒细小、η超高等特点，因而具有较高的储能性能。总体而言，超高最大U_d达18.24 J cm^-3，超高η达94.5%以上。最重要的是，BTBZNT@SiO₂ MLCC具有优异的温度稳定性（<10%，25~190 ℃）和循环稳定性（50000次循环后变化低于±2%）。因此BTBZNT@SiO₂ MLCC的综合性能超过了目前的无铅储能MLCC。

5）通过与商用电容器的比较，发现BTBZNT@SiO₂多层陶瓷电容器的U_d约为聚丙烯线性电容器的1000倍。这表明BTBZNT@SiO₂ MLCC在实际电力电子和脉冲功率技术应用中是很有前途和重要的候选者。

研究工作表明，多尺度优化策略有望成为提高介质陶瓷多层电容器整体储能性能的通用途径。

Peiyao Zhao, et al, Ultra-high energy storage performance in lead-free multilayer ceramic capacitors via multiscale optimization strategy, Energy Environ. Sci., 2020

DOI: 10.1039/D0EE03094E

https://doi.org/10.1039/D0EE03094E