研究背景

电容器在电子设备中发挥着不可或缺的作用，在人类生活中无处不在。例如，每部智能手机都有大约1000个电容器，电动汽车中的每个逆变器都配备了一个巨大容量（大约1000 m）的直流链路电容器。其中，陶瓷电容器占据了市场的主导地位，份额高达90%，每年生产的多层陶瓷电容器超过3万亿个。具有高能量密度和高效率的电容器，是计算机、手机、医疗设备以及电机驱动、太阳能、风能和电网的电力电子设备中的关键部件。反铁电陶瓷，由于电场诱导的反铁电（AFE）-铁电（FE）相变，在高能量密度电容器中显示出巨大的前景。然而，目前，在充放电循环中只有70%～80%的能量释放。

研究成果

近日，美国爱荷华州立大学Xiaoli Tan首次利用马氏体相变的几何非线性理论，指导PbZrO3基反铁电陶瓷的发现。通过使用密度泛函理论，评估了AFE/FE界面晶格失配应变，从而预测AFE-FE转变的可逆性，从而确保超低的电滞和延长的疲劳寿命。观察到失配应变与磁滞的良好相关性，直接关联到AFE电容器的能量效率。在理论指导下，进行了高通量材料搜索，发现了具有接近完美充放电能量效率（98.2%），即接近零磁滞的AFE成分。电容器的疲劳寿命达到7950万次充放电循环，比具有大电滞的AFE陶瓷提高了80倍。相关研究工作以“Antiferroelectric Ceramics for Energy-Efficient Capacitors by Theory-Guided Discovery”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

研究内容

(Pb0.87Sr0.05Ba0.05La0.02)(Zr0.52Sn0.40Ti0.08)O3陶瓷（简称SB5408）为研究者发现的一种PbZrO3基AFE陶瓷，图1b显示了SB5408的P-E曲线，在220kV/cm的外加电场下，具有创纪录的高效率η=98.2%，能量密度Wrec=3.0J/cm3。基于研究假设，SB5408中几乎无磁滞的P-E曲线是其高度兼容和可移动的AFE/FE界面的表现。这种高度可逆的AFE-FE转变对陶瓷产生了强大的抗疲劳性，在创纪录的7.95×107次充放电循环后，Pmax仅降低5.8%（图1c）。即使在疲劳后，Pr仍保持在0.4µC/cm2的低位。最重要的是，η几乎保持不变（损失1.5%），Wrec保持其初始值的91.3%。与报道的其他AFE大块陶瓷相比，基于理论指导开发的这款陶瓷表现出较高的能量效率（图1d）和最长的耐久性，特别有希望用于高频应用。

图1. AFE陶瓷具有创纪录的高能效和耐疲劳性

图2. 高效节能AFE陶瓷的理论预测及其实验验证

图3. (Pb, Sr, Ba, La)(Zr, Sn, Ti)O3陶瓷的组合合成,成分（La=2at.%）接近理论发现

图4. SB5408陶瓷的结构和电学性能

结论与展望

总之，马氏体相变的几何非线性理论，被证明在PbZrO3基反铁电陶瓷的发现中发挥指导作用，该陶瓷具有世界纪录的充放电能量效率。首先，利用DFT识别出具有小AFE/FE界面失配应变、FE相位中的大极化和适当AFE相稳定性的有前途的组合物。在实验验证后，运用高通量合成技术，制备了成分接近最佳成分的陶瓷。然后，通过电学性质筛选，发现了四种成分接近完美能效（~98%）。这些陶瓷在约220kV/cm的外加电场下，表现出约3.0J/cm3的可恢复能量密度。最重要的是，AFE电容器的疲劳寿命达到7950万次充放电循环，比具有大磁滞的AFE陶瓷提高了80倍。所建立方法也可应用于其他功能陶瓷的发现，如具有超高能效的无铅AFE陶瓷。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202312856