精选
Cite this article:
Ning W, Xie J, Tang L, et al. A high-entropy strategy for enhancing energy storage performance and enabling ultrafast discharge in tungsten bronze ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221260
文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221260
ResearchGate： A high-entropy strategy for enhancing energy storage performance and enabling ultrafast discharge in tungsten bronze ceramics
基金支持：
国家自然科学基金（12164012）、广西科技计划项目（AA25069001, AD25069100）
一、导读
随着高功率脉冲技术的发展，对储能电容器材料提出了更高要求：不仅要有高能量密度，还要具备超快放电能力和高温稳定性。然而，传统介电陶瓷在高电场下易击穿、能量效率低等问题长期制约其应用。
桂林理工大学宁文郅/胡长征提出一种“高熵设计+能带工程”协同调控策略，成功制备出一种新型钨青铜结构无铅弛豫铁电陶瓷，实现了可恢复能量密度达7.93 J·cm-3、效率高达94.25%的优异储能性能，并具备超快放电时间（1.56 μs）和高功率密度（155.41 MW·cm-3）。该研究为高性能脉冲电容器材料设计提供了新思路。
二、研究背景
介电陶瓷因其超高功率密度和快速充放电能力，在脉冲功率系统中具有不可替代的地位。然而，传统铁电陶瓷往往面临极化饱和快、击穿场强低、能量损失大等问题。钨青铜结构因其丰富的阳离子位点和结构可调性，成为弛豫铁电材料的研究热点。如何通过原子尺度调控实现极化行为与击穿强度的协同优化，是该领域的核心挑战。
三、文章亮点
（1）将高熵策略与带隙工程协同引入钨青铜陶瓷，通过Ta掺杂提升构型熵（从2.04R增至2.35R）和带隙（从3.09 eV增至3.20 eV），显著提升击穿场强。
（2）微观机制揭示充分：通过TEM、PFM等手段，证实高熵诱导的局域结构无序和极性纳米区域的形成，是提升弛豫特性和储能性能的关键。
（3）实现了7.93 J·cm-3的可恢复能量密度及能量效率：94.25%。
四、研究结果及结论
本研究通过固相反应法制备了系列高熵钨青铜陶瓷Ba2.38Sr2.12Sm0.5Gd0.5Ti1Zr1Nb8-xTaxO30，首先对其物相与结构进行分析，成功合成了单相四方钨青铜结构（空间群P4bm）陶瓷，所有掺杂离子均进入晶格形成均一固溶体。Rietveld精修和拉曼光谱分析表明，随着Ta含量和构型熵的增加，晶胞收缩，BO6八面体畸变加剧，体系无序度提高。
图1：XRD衍射分析以及拉曼光谱分析
弛豫铁电体由于具有纤细的电滞回线和高储能效率，是实现高性能储能电容器的理想材料，因而弛豫特性对于陶瓷实现优异储能性能至关重要。对样品进行了介电温谱测试，所有样品均表现出典型的弛豫铁电体特征。Ta-0.5陶瓷具有最大的弥散系数γ（1.55）和较低的激活能Ea（0.097 eV），表明其具有最强的弛豫行为和最灵敏的极化翻转响应。
图2：介电温谱测试及分析
根据P–E曲线，通过积分可以计算出材料的可回收储能密度，测得Ta-0.5陶瓷的击穿强度为830 kV·cm-1，可回收能量密度达到7.93 J·cm-3，储能效率保持在94.25%的高水平。
图3：铁电性能测试及分析
五、作者及研究团队简介
第一作者，宁文郅，桂林理工大学材料科学与工程学院硕士研究生。
通讯作者，胡长征，桂林理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。从事钨青铜结构陶瓷的铁电、介电及催化性能研究。先后主持国家自然科学基金2项、广西自然科学基金3项。获得广西自然科学奖二等奖2项。以第一作者或通讯作者在Nano Energy、Journal of Advanced Ceramics、Materials Today Chemistry等期刊发表SCI收录论文40余篇；出版专著1部；获得授权国家发明专利十余件。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1）Dan Y, Tang L, Ning W, et al. Achieving enhanced energy storage performance and ultra-fast discharge time in tungsten–bronze ceramic. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(9): 1349-1358. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220939
2）Jin Z, Su B, Wu S, et al. Tribocatalytic recycling of lithium-ion batteries. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221121. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221121
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1525151.html?mobile=1
收藏
