近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院常云飛副教授研究組與西安交通大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)等單位合作發(fā)表了關(guān)于多層織構(gòu)陶瓷儲能電容器的最新研究成果。該成果以《用于能量儲存的晶粒擇優(yōu)取向多層陶瓷電容器》（“Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications”）為題，刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》（《自然·材料》）。常云飛為論文第一通訊作者。

陶瓷電容器以高放電功率、快充放電速率和抗衰退循環(huán)等優(yōu)勢，在電子、通訊、交通和脈沖功率器件等眾多領(lǐng)域有著廣泛的需求。大電容容量、尺寸小型化和高耐壓等特點(diǎn)是陶瓷電容器的發(fā)展趨勢。然而，目前制約陶瓷電容器發(fā)展的一個主要問題是較低擊穿電場強(qiáng)度導(dǎo)致的低儲能密度。

基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電致伸縮效應(yīng)的各向異性特點(diǎn)，研究團(tuán)隊提出了一種新的設(shè)計思路，即通過控制陶瓷晶粒取向（織構(gòu)工程）來降低電容器在外場刺激下產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力，避免微裂紋和拉伸應(yīng)力所導(dǎo)致的陶瓷擊穿，從而提高擊穿電場強(qiáng)度和儲能密度。研究團(tuán)隊巧妙地運(yùn)用局部化學(xué)微晶轉(zhuǎn)化法制備了徑厚比高的鈦酸鍶模板，然后基于模板晶粒生長技術(shù)首次制備了沿?fù)駜?yōu)取向且織構(gòu)度達(dá)91%的鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層陶瓷電容器，將其擊穿電場提高至100 MV m-1，獲得了高達(dá)21.5 J cm-3的儲能密度，為目前已知陶瓷電容器的最高值。該研究為突破制約陶瓷電容器發(fā)展的技術(shù)難題提供了新設(shè)計思路，并且該思路可廣泛應(yīng)用于提高其他電子功能陶瓷的強(qiáng)場工作穩(wěn)定性和可靠性，如基于電卡效應(yīng)的固態(tài)制冷陶瓷等。

圖1 多層陶瓷電容器單個陶瓷層的應(yīng)變和彈性能分布的有限元模擬：(a) 陶瓷電容器和單陶瓷層示意圖；沿，和取向的鈣鈦礦樣品的(b) 局部位移、(c) 應(yīng)力局域分布和 (d) 局部彈性能密度。

圖2多層織構(gòu)陶瓷電容器的取向結(jié)構(gòu)特征及其儲能特性：(a) 鈦酸鍶模板和(b, c)多層織構(gòu)陶瓷電容器的截面顯微照片；織構(gòu)陶瓷的(d) XRD圖譜和(e)晶粒取向分布圖；(f) 多層織構(gòu)陶瓷電容器照片；(g) 隨機(jī)取向以及分別沿和取向的多層陶瓷應(yīng)變與電場的關(guān)系；(h)取向多層陶瓷極化強(qiáng)度與電場的關(guān)系；(i)取向多層織構(gòu)陶瓷與文獻(xiàn)報道的陶瓷材料儲能密度對比。

該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委面上項目和黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項目等支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x