电介质电容器以其超快速的充放电速率、良好的储能特性和高可靠性，在关键医学设备、混合动力汽车、航空航天和先进电磁武器等大功率储能和脉冲功率系统中可以发挥关键的作用。然而，电介质电容器的储能密度相较于电池和电化学电容器等偏低，限制了其进一步的应用。近年来，多层陶瓷电容器（MLCC）因其陶瓷电介质薄层化能有效提高其击穿强度进而提高储能密度、叠层结构能有效提高电容量和储能总量、易于表面贴装、耐高温等特点，在储能领域的应用引起很大的关注。
近日，材料与物理学院固废利用与高性能陶瓷团队蔡子明副教授与清华大学材料学院王晓慧教授课题组深入合作，通过多尺度优化设计成功制备出了兼具超高的储能密度（18.24 J/cm3）、超高的储能效率（94.5%）、快速充放电（450 ns）、优异的温度稳定性（25~190性能变化<10%）和循环稳定性（5万次循环性能变化<2%）等特点的钛酸钡基无铅储能MLCC。与现有的商业储能电容器PLZT基电容器（型号B5803115105）、BT基电容器（型号C1812C334K）以及聚丙烯电容器（型号R75PI3330AA30J）相比，能量密度分别提升了14、27和988倍，同时MLCC的体积更小，更容易表面贴装，有利于产品的高性能化和小型化，该项研究极大的推进了储能MLCC的产业化进程。
该钛酸钡基无铅储能MLCC在原子尺度上，向BaTiO3（BT）中引入Bi(Zn2/3(Nb0.85Ta0.15)1/3)O3（BZNT)，将具有长程有序畴结构的铁电体转变为具有极性纳米微区的弛豫铁电体，可以有效降低体系在电场中响应的滞后性；在晶粒尺度上，向BT-BZNT晶粒表面引入高绝缘和高击穿强度的SiO2包覆层，可以大幅增强体系的击穿强度；在器件尺度上，在电极与电介质的界面处引入SiO2阻挡层，可以有效降低漏电流和电场集中程度，从而使击穿强度、储能效率、温度稳定性和可靠性得到较大的改善。在多尺度优化策略的指导下，利用两段式无压烧结方法制备了以60Ag/40Pd为内电极的具备优异储能性能的BTBZNT@SiO2 MLCC。两段式无压烧结使得MLCC具有细小均匀的纳米晶，可以有效提高其击穿强度、储能效率、直流偏压特性和可靠性。
该成果以“Ultra-high energy storage performance in lead-free multilayer ceramic capacitors via multiscale optimization strategy”为题，在线发表于能源领域期刊Energy & Environmental Science（影响因子：30.289）。清华大学博士生赵培尧和我校材料与物理学院蔡子明副教授为论文共同第一作者，清华大学王晓慧教授、南方科技大学汪宏教授为论文共同通讯作者。
