在现代电子和电气系统中，电介质电容器因其超高功率密度而被视为关键的能量存储组件。它们能够实现设备的高度集成化、小型化和轻量化。然而，目前电介质材料的发展受到低有效储能密度（W_rec）和能量效率（η）的限制，尤其是在中等电场强度下。无铅电介质陶瓷虽具备环保、高功率密度和可靠性优势，但其储能密度不足与能量损耗偏高仍是制约应用的关键瓶颈。为了满足电子设备对储能密度和小型化的需求，研究人员一直在探索提高无铅陶瓷性能的方法。其中，K_0.5Na_0.5NbO₃（KNN）基陶瓷因其丰富的相结构、较高的最大极化强度（P_max）以及亚微米级的晶粒尺寸所带来的高击穿场强成为当前研究的热点。尽管研究人员尝试通过多种策略（如高熵设计、纳米畴工程、构建超顺电态、缺陷工程等）来优化KNN基陶瓷的性能，然而在相对简单的KNN基陶瓷体系以及中低电场强度条件下，实现该材料优异的储能性能仍然存在挑战。

近日，我院铁电功能材料与器件创新团队杨祖培教授团队联合澳大利亚伍伦贡大学、北京理工大学等高校提出了一种多尺度构建多态极性纳米微区（PNRs）共存的异质结构设计，突破了KNN储能陶瓷的研究瓶颈。该设计的实现路径首先是通过细化晶粒至亚微米级，利用晶界约束效应抑制电畴生长，使畴尺寸随晶粒尺寸减小而显著降低，从而形成PNRs。同时，利用KNN陶瓷多相结构的特点，在陶瓷中构建多相纳米畴共存结构的准同型相界（MPB），成功地实现了一种正交相（O）和四方相（T）PNRs嵌入立方相（C）基体中的异质结构。这种结构通过相场模拟方法和球差透射电镜手段进行了直观可视化分析。其主要优势在于能够显著增强电场诱导的极化响应，从而提高最大极化强度（P_max）、同时最小化极化滞后，显著降低剩余极化强度（P_r）、延迟饱和极化。最终，0.85K_0.5Na_0.5NbO₃-0.15Sr_0.7Nd_0.2ZrO₃陶瓷实现了优异的储能性能：在500 kV·cm^-1的中等电场下，W_rec约为7 J·cm^-3，η约为92%；在760 kV·cm^-1的电场下，W_rec高达14 J·cm^-3，η约为89%，属于该体系领先水平。相关研究工作以“Excellent energy storage properties in lead-free ferroelectric ceramics via heterogeneous structure design”为题，发表在国际材料顶级期刊《Nature Communications》上，本研究成果不仅为无铅铁电陶瓷在能量存储领域的应用提供了新的可能性，还为其他高性能铁电材料的设计提供了重要的参考。通过这种异质结构设计，研究人员有望在未来开发出更多具有优异性能的材料，满足现代电子设备对能量存储和小型化的需求。

该工作得到国家自然科学基金（52272119）和材料科学与工程学院基础创新项目的支持，论文第一作者为我院博士研究生柴启珍，通讯作者为我院杨祖培教授、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授、北京理工大学黄厚兵教授和我校物理学与信息技术学院卢江波副教授。本研究得到材料科学与工程学院铁电功能材料与器件创新团队的大力支持，材料科学与工程学院为第一署名单位。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56767-0

图1 0.85K_0.5Na_0.5NbO₃-0.15Sr_0.7Nd_0.2ZrO₃陶瓷的微观结构

图2 (1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xSr_0.7Nd_0.2ZrO₃陶瓷的PFM表征

图3 (1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xSr_0.7Nd_0.2ZrO₃陶瓷的相场模拟

       铁电功能材料与器件创新团队：材料科学与工程学院铁电功能材料与器件创新团队立足电子元器件国家重大战略需求，瞄准固态铁电储能材料、太阳能铁电光伏薄膜和高性能热电材料元器件的设计开发、性能优化和物理机理阐明等科学问题，主要开展材料组分设计、能带/缺陷结构调控、表界面工程优化等提升材料的固态储能性能、输出光电流密度/电压和热电性能，厘清性能提升内在机制，解决关键科学问题。通过创新团队的培育项目，培养创新性研究人才梯队，近年来，团队成员主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、企业横向课题等近10项，在Science（共一）、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.等国际知名期刊发表高质量研究论文多篇，依托研究成果获中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国家级铜奖3次。

撰稿人：彭战辉、柴启珍    审核人：刘治科、董芬芬