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TMR重磅学者|南京理工大学汪尧进教授:BiFeO3基高熵弛豫铁电陶瓷实现超高电容储能

2026-07-13 10:30:14

由于超高的功率密度和超快的充放电速率，电介质电容器在高功率和脉冲功率系统中展现出巨大的应用前景。BiFeO₃基弛豫铁电陶瓷具有高饱和极化强度，但较高的剩余极化强度和较低的击穿电场导致其可回复能量密度和能量效率难以同时提高。

针对这一科学问题，南京理工大学汪尧进教授团队利用高熵组元设计，在BiFeO₃基陶瓷中构建了2-5 nm尺寸的多形态极性纳米畴，降低了极化滞后并维持了高极化强度。同时，增强的绝缘性能和提高的晶界密度，有效阻碍了击穿电场的扩展，提高了陶瓷的抗击穿性能。最终获得了11 J/cm³的超高可回复能量密度和92%的高能量效率。研究结果为高性能电介质材料设计提供一种行之有效的方案。

文章信息

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2026.100193

文章亮点速览

亮点一｜高熵组分设计实现优异储能性能

工作内容：通过固相反应法制备出BiFeO₃基高熵弛豫铁电陶瓷，可回收能量密度高达11 J/cm³、能量效率高达92%。

研究价值：高熵效应能够稳定复杂成分中的钙钛矿相结构，提高弛豫性能，优化极化响应，实现优异电容储能性能。

亮点二｜多形态纳米畴提高能量效率

工作内容：通过STEM-HADDF表征，发现了2-5 nm范围的三方、四方、正交或立方相纳米畴区域，有助于降低极化翻转的能量损耗，提高能量效率。

研究价值：从原子尺度证明了极化响应的微观机制，为提高能量效率提供可行性方案。

亮点三｜绝缘性增强和晶粒细化协同提高击穿场强

工作内容：样品的禁带宽度增大表明绝缘性能提高，同时，晶粒细化意味着晶界密度提高，而晶界能够阻挡击穿电场扩展。因此，最优组分获得了608 kV/cm的高击穿电场。

研究价值：内因与外因协同能够协同提高击穿场强，从而进一步提高可回复能量密度。

文章核心图表

结语

针对电介质电容器能量密度和效率难以同步提高的挑战，南京理工大学汪尧进教授团队通过高熵组分设计，在BiFeO₃基弛豫铁电陶瓷中获得了多形态纳米畴和细化晶粒，提高了极化响应能力和击穿电场强度，实现了11 J/cm³的超高可回复能量密度和92%的高能量效率。研究结果同时揭示了低极化滞后的微观机制，阐明了高击穿电场的内外因机制，为高性能电介质材料设计提供参考。

作者介绍

汪尧进

南京理工大学

教授、博士生导师

汪尧进，南京理工大学教授、博士生导师、中法工程师学院常务副院长。主要研究方向为压电材料与水下声-磁器件。入选国家级青年人才项目、江苏省“333人才”中青年科技领军人才、江苏省“双创人才”，获中国电介质物理优秀青年奖(A类)、江苏省材料学会科学技术特等奖(第1)、江苏省行业领域优秀科技进展(第1)等。担任陶瓷领域TOP期刊J. Am. Ceram. Soc.副编辑、科技部重点研发“智能传感专项”指南编制专家、中国材料研究学会超声材料科学与技术分会首届常务理事等，作为会议(副)主席举办或联合举办国际学术会议5次。主持科技部重点研发、国家自然科学基金“叶企孙”联合重点、面上以及企业创新项目近20项。近5年以第一/通讯作者(含共同)在Sci. Adv., Nat. Commun. Adv. Funct. Mater., Acta Mater.等期刊发表SCI论文58篇，撰写专著章节1章，授权专利16件。