西安交大电信学部科研团队在Nature子刊上发表NaNbO3基储能陶瓷最新进展，电介质电容器具有非常高的功率密度和超快的充放电速率被广泛应用于混合动力汽车、脉冲电源系统等众多领域。但是其低能量存储密度（Wrec）及低充放电效率（h）严重阻碍了它们在电子器件小型化、轻量化和集成化方面的发展。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）和小体积密度（~ 4.55 g·cm-3），在储能电容应用领域表现卓越。

图1 (1-x)NN-xBi(Ni0.5Hf0.5)O3陶瓷的理论极化矢量分布、P-E曲线（相场模拟）及实验局域结构表征。

本工作中提出在反铁电NN体系中引入铁电相，打破长程有序的反铁电宏畴，降低畴之间的翻转势垒，从而提高弛豫特性，进一步优化能源存储性能的研究思路。本工作中首先采用相场法模拟了(1-x)NaNbO3-xBi(NiHf)O(NN-BNH)二元体系中微观极化矢量的排布和宏观电滞回线的变化，发现随着客相BNH掺杂含量的增加，长程有序2×2正交反铁电极化调制结构被逐渐打破成定向纳米畴，同时伴随着剩余极化的大幅度降低（如图1左图）。其次，球差电子显微镜（STEM）表明NN基体系中存在O型极性纳米微区，大量具有多个局域无序特征的极化基体有助于不同尺寸的O型纳米结构畴之间的过渡，类似于雪泥状极性结构，且0 ~ 120°范围内的极化矢量占比为88.3%，远高于其它角度范围（120 ~ 360°）的11.7%，因此将其定义为定向类雪泥状极性结构，这有利于提高Wrec和h；二维固体核磁（2D NMR）表明0.15 mol BNH的客相成分进入主相NN基体后，导致Na(1)位点畸变较小，局域结构更加无序，这进一步证明该成分处于弛豫状态（如图1右图）。

图2 NN-0.15BNH组分MLCC在不同测试条件下（电场和温度）的储能特性。

随后，采用这种定向类雪泥状极性结构设计策略制备出NN基多层陶瓷电容器（MLCC），在x=0.15组分的MLCC中获得了14.1 J·cm-3的高储能密度和96.8%的超高储能效率，且在700 kV·cm-1电场下宽温（20-150 ℃）范围内具有良好的稳定性（变化率小于±6.15%），展现出了该陶瓷电容器的巨大应用潜力，如图2所示。

该研究成果以“具有定向类雪泥状极性结构设计的无铅NaNbO3基弛豫体的超高能量存储”（Ultra-high energy storage in lead-free NaNbO3-based relaxors with directional slush-like polar structures design）为题，在国际知名期刊《自然通讯》（Nature Communications，IF=14.7）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、徐谛明助理教授、赵维琛博士、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子课题项目、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大量测试表征支持。