电介质陶瓷电容器因具有高功率密度、快速充放电和良好服役稳定性，在先进电子与脉冲功率系统中具有重要应用前景。然而，如何同时获得高可回复储能密度（W_rec）、高效率（η）和优异温度稳定性，仍是无铅介电储能材料面临的关键挑战。NaNbO₃（NN）基陶瓷材料，作为无铅反铁电体系的代表，由于其宽带隙（~ 3.45 eV）、高极化强度（~ 40 mC·cm^-2）和低体积密度（~ 4.55 g·cm^-3），在储能电容应用领域展现出良好的应用前景。

图1 (1-x)(0.95NaNbO₃-0.05Bi(Ni_0.5Hf_0.5)O₃-xCaTiO₃陶瓷的设计思路及储能特性

本工作提出在反铁电NN体系中引入顺电相，打破长程有序反铁电宏畴并降低极化翻转势垒的思路；同时，通过调控有序氧八面体倾斜为局域无序倾斜结构，在降低电滞损耗的同时延迟高电场下的极化饱和，从而进一步优化介电储能性能。本工作首先在 NN 基体中引入 0.05 mol Bi(Ni_0.5Hf_0.5)O₃，以调节反铁电相稳定性并适度削弱氧八面体倾斜，从而实现可逆的场诱导 AFE-FE 转变和双电滞回线。进一步通过引入 CaTiO₃ （CT）构建(1-x)(0.95NaNbO₃-0.05Bi(Ni_0.5Hf_0.5)O₃-xCaTiO₃陶瓷破坏长程有序反铁电畴，促进偶极玻璃态形成，将有序氧八面体倾斜调控为局域无序倾斜结构，从而降低极化滞后、延迟高电场下的极化饱和从而提升储能性能（如图1左图）。最终在x=0.15组分中获得了15.1 J·cm^-3的高储能密度和90.5%的超高储能效率，且在730 kV·cm^-1电场下宽温（20-160 ℃）范围内具有良好的稳定性（变化率小于±2.1%），展现出良好的高温介电储能电容器应用潜力，如图1右图。

相场模拟结果表明，随着 CT 掺杂含量的增加，长程有序的反铁电畴逐渐被破坏并演化为高度无序的偶极玻璃态极化区域；同时，电滞回线由束腰状逐渐转变为细长状，从而降低电滞损耗并提升储能性能（如图 2 左上图）。局域极化结构进一步表明，体系在 [100] 和 [110] 方向均存在大量偶极玻璃态纳米区域，这有利于削弱畴间协同翻转并降低极化响应滞后（如图 2 左下图）。局部氧八面体畸变结果显示，沿 [100] 方向，有序的氧八面体倾斜被破坏为高度无序的局域倾斜结构；沿 [110] 方向，大倾斜角的有序氧八面体倾斜被削弱为小倾斜角的有序倾斜结构（如图 2 右图）。这些结果共同说明，局域极化无序化与氧八面体倾斜调控协同作用是实现低损耗、高储能性能的重要结构基础。

图2 (1-x)(0.95NaNbO₃-0.05Bi(Ni_0.5Hf_0.5)O₃-xCaTiO₃陶瓷的相场模拟结果及局域特性表征

该研究成果以“局部极化和氧八面体倾斜的耦合重构实现超高介电能量存储”（Coupled reconstruction of local polarization and octahedral tilting enables ultrahigh dielectric energy storage）为题，在国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=19.0）在线发表。西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生王震涛为第一作者，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授、京都大学机械科学与工程学院Takahiro Shimada教授、杭州电子科技大学电子信息工程学院周涛副教授、前沿院何利强助理教授和王栋教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划项目、陕西省国际合作项目等项目的资助，西安交通大学国际电介质研究中心提供了关键测试表征支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76103