Microstructure control on optimizing energy storage performance for dielectric ceramic

通过微观结构控制优化介电陶瓷的储能性能

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

文章介绍：

近年来，全球经济的持续发展增加了能源需求，从而加剧了能源危机，而相关的污染问题则促使社会对环境的关注日益增加。在这种情况下，急需开发高效的可持续清洁能源和高性能储能设备。与通过电化学反应存储能量的现有电化学设备（如电池或超级电容器）相比，介电电容器通过在外部电场作用下，因偶极极化而积累诱导电荷来存储能量。这种储能方式具有超快的充放电能力（从纳秒到微秒）和较大的功率密度（最高可达MW/m3），由于其在现代电子和电气设备中的广泛潜在应用，特别是在脉冲功率系统中的需求，受到了越来越多的关注。目前，介电电容器已在医疗设备、脉冲激光器、混合动力电动汽车、闪光管、军用设备和航空航天系统等广泛的应用场景中得到利用。然而，介电材料的能量密度通常比电化学储能组件低几个数量级，这使得它们难以用于大规模储能，并不能满足日益增长的小型化要求。因此，具有更高能量密度和效率的介电材料是当前研究中的一个挑战，急需发展。

在现有的高能量储存介电材料研究中，主要的材料类型包括陶瓷、聚合物和纳米复合材料，其中聚合物基材料由于其较高的击穿强度和优异的加工性，更多应用于商业领域。然而，聚合物基介电材料存在能量密度低以及由于转变温度和严重的热击穿所导致的热稳定性差等问题，这使得它们难以应用于高温等恶劣环境。例如，商业使用的双轴定向聚丙烯（BOPP）介电聚合物通常能量密度低于2 J/cm3，并且只能在85 °C以下保持较好的未退化介电性能。相比之下，介电陶瓷则具有较大的优势，它们具有相对较高的介电常数，并且在多种或恶劣的应用环境中表现出较好的化学稳定性、温度稳定性和循环稳定性。事实上，每年大约生产3万亿个多层陶瓷电容器（MLCCs），其中大多数使用典型的介电陶瓷BaTiO3（BT）作为材料，显示出介电陶瓷的广泛需求。

近年来的研究表明，介电微观结构与其储能性能之间有着密切的关系，并已被证明是优化储能性能的重要因素。一般来说，不同尺度下的微观结构对储能性能的关键参数（如击穿、效率或极化）有特定的影响。例如，在无机陶瓷体系中，宏观的铁电畴可以被分解成纳米尺度的畴，这些纳米畴具有更低的切换障碍，从而导致较小的滞后损失，提高了效率和可恢复能量密度。在较大尺度上，晶粒的参数对储能性能有较强的影响。细化的晶粒或具有特定纹理的晶粒可以表现出更高的击穿强度，从而提高能量密度。此外，引入次相并准确控制其存在形式是提高能量密度的一些有效方法。在介观尺度上，不同介电材料的层状结构以及中间层的设计被证明是结合不同介电材料优势、实现优化储能性能的有效方法（见表1）。尽管介电陶瓷可以在不同尺度的微观结构上进行分层优化，但对于相关理论和潜在机制的阐明及解构仍然不足。简而言之，进一步认识、解释、利用和结合不同尺度的微观结构设计，是推动介电材料在储能性能方面发展的重要方向。