電介質電容器具有快的充放電速率和高可靠性，在現代電子電路系統中發揮着重要的作用，也成為了高功率脈沖技術中不可替代的基礎元器件。但是，随着儲能器件小型化、集成化的發展，介電電容器相對較低的能量密度已成為目前亟待解決的主要問題，也是當今材料科學研究的熱點之一。

beat365林元華教授等人通過在介電材料中引入熵的調控策略，利用熵穩定效應獲得了熱力學上不穩定的Bi₂Ti₂O₇基燒綠石相材料（圖1），其顯示了大的晶格畸變。該材料是一類具有超低介電損耗和較高介電常數的線性介質材料，有益于獲得高儲能特性。

圖1.高熵的畸變燒綠石相結構

通過高熵的調控（多元素在等效晶格位上無序共存，如圖1d 所示），降低了穩定的燒綠石相的漏導與損耗、同時提升了其擊穿場強，使其在高電場下可以有效降低滞回損耗，從而提升了儲能效率（圖2）。利用先進電子顯微學方法對此高熵材料的顯微結構與性能改善的關聯性進行了研究，發現此材料由納米晶和少量均勻分布非晶構成。随着熵的增加，納米晶的晶粒尺寸逐漸減小，非晶相比例逐漸提升（圖3）。小的納米晶粒尺寸和非晶相的增加有利于材料絕緣性能的提升，且這類納米晶和少量均勻分布非晶也使此材料可以保持較高的極化。他們在x = 0.4的高熵薄膜(~0.6 微米厚)中，實現了最優的182 J cm^-3的儲能密度和78%的效率，并具有極好的循環和溫度穩定性（圖4）。這種高熵的設計思路有望被廣泛的用于提升介電材料儲能特性。

圖2. 極化、介電、漏導和擊穿電場強度随着熵的演變

圖3. 最佳成分材料中的納米晶和非晶結構及不同熵值下的納米晶尺寸和納米晶/非晶比例

圖4. 高熵薄膜的能量存儲和穩定性表現

相關成果以“高熵增強電容儲能”（High-entropy enhanced capacitive energy storage）為題，近日在線發表于國際著名期刊《自然 材料》（Nature Materials）上。beat365博士後楊兵兵、清華大學水木學者張揚博士和beat365畢業博士生潘豪（現為加州大學伯克利分校博士後）為文章的共同第一作者。清華大學林元華教授、南策文院士和朱靜院士為文章的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學司文龍博士、中科院物理所的谷林研究員（現beat365教授）、張慶華副研究員、孟繁琦博士後，賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授，武漢理工大學的沈忠慧副教授，澳大利亞伍倫貢大學的張樹君教授，南方科技大學的何佳清教授、于勇博士，北京理工大學黃厚兵副教授，清華大學藍順博士和劉亦謙博士等相關人員。本工作得到國家重點研發計劃、國家自然基金委科學中心等項目的資助。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01274-6