陶瓷介质电容器因其高功率密度、快充放电速率，被广泛应用于通讯、新能源汽车及脉冲电磁能装备等领域。近日，湖北大学材料科学与工程学院郭金明教授团队在介电储能陶瓷领域取得系列进展，研究成果先后发表于国际高水平学术期刊。
图1 高熵储能陶瓷的原子尺度结构分析
郭金明团队与清华大学南策文院士团队合作在材料领域国际顶级期刊《Advanced Materials》上以“Atomic-Scale High-Entropy Design for Superior Capacitive Energy Storage Performance in Lead-Free Ceramics”为题，报道了关于无铅高熵储能陶瓷的最新成果。材料科学与工程学院2021级硕士研究生李登峰和2023级硕士研究生郑子豪为论文共同第一作者，郭金明教授和南策文院士为论文共同通讯作者，湖北大学为第一作者单位。该工作以（Bi0.5Na0.5）TiO3为基体制备了一系列不同熵值的材料，系统研究了不同A位元素对电畴形貌、晶格极化、介电和铁电性能的影响。通过引入微量的Mg和La元素，提高了陶瓷电场击穿强度，并进一步减小极性纳米微区尺寸（见图1）。在优化后的高熵陶瓷（Ca0.2Sr0.2Ba0.2Mg0.05La0.05Bi0.15Na0.15）TiO3中获得了10.1 J/cm3的可回收能量密度和90%的效率，在350kV/cm电场下功率密度高达584 MW/cm3，放电时间仅为27 ns。
图2 运用流延工艺制备的无铅储能陶瓷的原子尺度结构及储能性能
团队与西安电子科技大学合作，在《Energy Storage Materials》上发表题为“Achieving Superior Capacitive Energy Storage via La Multiscale Regulation in Tape-Casting Fabricated Bi0.5Na0.5TiO3-BasedRelaxorFerroelectrics”的研究成果。2022级硕士研究生周昌平为论文第一作者，郭金明教授和西安电子科技大学闫非副教授为论文共同通讯作者，湖北大学为第一作者单位。该工作利用流延工艺制备了一系列Bi0.5Na0.5TiO3基弛豫铁电陶瓷，并通过引入La3+离子对氧空位、极化、击穿强度、相结构和电畴结构进行多尺度调控。在820 kV/cm的电场下，陶瓷具有可回收能量密度为11.2 J/cm3、充放电效率为88%的优异储能性能（见图2）。
另外，团队与多所大学合作开展介电储能陶瓷的研究，与清华大学和北京理工大学合作在《Nature Communications》上发表论文“High-entropy engineered BaTiO₃-based ceramic capacitors with greatly enhanced high-temperature energy storage performance”，通过高熵工程策略大幅提升了钛酸钡基陶瓷的高温储能性能，所制备的0.7(Ba0.8Ca0.2)TiO3-0.3Bi(Mg0.5Zr0.5)O3陶瓷在-50 ℃至260 ℃的宽温度范围内储能性能优异；与华中科技大学和北京理工大学合作在《NatureCommunications》上发表论文“Giant energy storage density with ultrahigh efficiency in multilayer ceramic capacitors via interlaminar strain engineering”，通过流延法制备出异质结构的多层陶瓷电容器获得了高达22.0 J/cm³的可回收能量密度及96.1%的充放电效率；与西安电子科技大学和同济大学合作在《Advanced EnergyMaterials》上发表论文“Tape-Casting Lead-Free Dielectrics Permit Superior Capacitive Energy Storage Performance”，运用流延法成功制备高质量无铅陶瓷厚膜，在915kV/cm的最高电场下得到可回收储能密度为10.06J/cm3，效率为93%。郭金明教授均为论文的共同通讯作者。
郭金明团队围绕铁电压电陶瓷、介电储能材料及球差校正透射电镜表征技术在功能材料中的应用展开了一系列研究。近年来，在Adv. Mater., Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., Acta Mater., J. Eur. Ceram. Soc., J. Am. Ceram. Soc.等国际高水平学术期刊发表论文70余篇。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202409639
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104082
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56195-0