随着可再生能源、电动汽车和便携式电子设备的快速发展，高效、快速充放电的储能器件成为关键技术瓶颈之一。介电电容器因其超快响应速度（微秒级）和长循环寿命，成为高功率密度储能系统的理想选择。然而，目前高性能电容器仍严重依赖含铅材料（如PLZT），其毒性强、环境污染大、供应链受限，严重制约了可持续发展。
近年来，无铅钙钛矿材料（如钠铌酸盐NaNBO3）被视为理想替代品，但以往研究多依赖复杂掺杂与贵金属添加，成本高、工艺复杂，且性能仍难以与铅基材料媲美。如何在保持高性能的同时实现绿色、低成本制备，成为该领域亟待攻克的核心难题。
近日，西安交通大学与香港理工大学、北京理工大学等多机构联合团队在材料学顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表题为《多极序工程实现无铅储能钙钛矿近乎理想效率》（Multi-Polar Order Engineering Enables Near-Ideal Efficiency in Lead-Free Energy Storage Perovskite）的研究论文。该研究通过多极序工程策略，成功设计出一种新型无铅钙钛矿材料NN-xBCS，在效率（η ≈ 95%）和能量密度（12 J cm-3）上刷新纪录，超越了商用含铅材料PLZT，且具备优异的温度稳定性和超快放电响应（<32 ns）。
该研究不仅实现了性能突破，更首次在储能介电材料中揭示了亚埃尺度电子极化的关键作用，通过同步辐射X射线吸收谱与原子分辨电镜，直观呈现了电子云形变如何调控离子性与键合状态，为今后介电材料设计提供了全新的微观机制视角。
图1. 用于高效介电储能的多极序工程策略。a) 基于相场模拟的性能优化，涵盖畴结构（极性纳米区）、原子构型（B位位移矢量）、电子极化（亚埃级电子云位移）和晶体结构（调制畸变）。b) 通过化学调控（弛豫时间统一）重构电学微结构。c) 实现了高体积效率和快速响应速度，适用于下一代电动汽车电力电子器件。
多尺度协同设计，实现从原子到器件全面提升性能。研究团队通过相场模拟指导纳米/微米极性区域设计，构建了高度可逆的极性纳米区（HRPNR），有效延缓极化饱和、提升击穿电场。同时，在原子尺度通过多元阳离子策略（Ba/Ca/Sr/Zr/Ti）调控结构畸变与电子态，增强了材料的结构稳定性和绝缘性能。
首次揭示“电子云极化”的关键作用。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）与高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM），研究团队首次在介电材料中观测到亚埃级电子云位移，并证明其通过增强Nb–O键离子性、均匀化键长分布，显著提升了极化切换速度与储能效率。
图2. x = 0.16的原子级极性特征和NN-xBCS的电子结构。
电学微结构重构，实现“统一弛豫时间”。通过原位阻抗谱与弛豫时间分布分析，研究团队发现优化后的材料呈现出电阻-电容网络响应统一化的特征，即不同区域的弛豫时间趋于一致，这极大提升了材料的整体击穿强度和充放电效率。
全工业级原料，低成本、可扩展制备。NN-xBCS采用全工业级前驱体制备，无需稀土或贵金属添加剂，大幅降低材料成本，且工艺与传统陶瓷烧结兼容，具备规模化生产潜力。
优异的热稳定性与超快放电能力。在25–150℃温度范围内，材料的放电能量密度波动<9.3%，峰值电流波动<4%，表现出极强的环境适应性。在200 Ω负载下，90%能量在31.3 ns内释放，适用于电动车电源系统等高功率应用场景。
本工作的第一作者是香港理工大学博士后研究员樊咏博，材料学院武海军教授为共同通讯作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的支持。
