陶瓷电介质储能材料研究进展

姜 莹，申心畅，郭丽敏*，毕 科，王晓慧，李龙土

(1 北京邮电大学 理学院，北京 100876；2 清华大学 材料科学与工程学院 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100080)

近年来，随着经济和社会的快速发展，化石能源带来的环境污染问题促使人们不断开发清洁可再生能源，例如太阳能、水能、风能和热能等。新能源的储存对储能系统提出了更高的要求，需要更加清洁、高效的储能器件。当前最主流应用的能量存储设备是锂离子电池，其工作原理是依靠锂离子在正负电极之间的迁移来储存和释放能量。影响锂离子电池能量密度的主要因素是电极材料的选择，随电极材料的变化，其能量密度约为150～200 Wh/kg，但在放电过程中其功率密度相对较低，约为300～500 W/kg，不适用于部分需要快速充放电的场合[1]。此外，电池容量还会随着使用逐渐下降。电化学电容主要是通过外加电场极化电解质，使电极与电解质之间形成紧密电荷层来进行能量存储[2]。电化学电容相比于锂离子电池具有较高的功率密度和更优良的循环性能(循环次数可达50万次[3])，但其能量密度较低，约为 1 Wh/kg[4]。同时其自放电率高、内阻低的特点也会导致例如短路爆炸等安全问题。因而，大功率、高能量密度、高稳定性的存储系统引起越来越多的关注和研发兴趣。目前市面上比较常用的电介质平行板电容器是克服这一问题的关键。

电介质电容在外加电场下通过电介质极化、正负电荷的分离从而储存能量[5-7]。与锂离子电池和化学电容器相比，电介质电容的能量密度较低(约为 0.1 Wh/kg)而功率密度较高，主要是因为电介质电容器的储能过程不涉及离子的迁移扩散和化学反应，因此能够以更高速率进行充放电，循环次数可达百万次以上，并且安全性更高，被广泛应用于军工、民用及医疗等领域[8-10]。决定电介质电容器性能最为关键的因素是电介质材料，目前主流的电介质材料有有机聚合物、聚合物-无机复合材料以及无机非金属材料3类。其中，陶瓷电介质因其绝缘电阻率高、机械强度高、不易老化、热稳定性好、介电损耗小等优点，成为当前的研究热点。

目前，没有任何一个能量存储设备可以同时具有高能量密度和高功率密度[11-12]。储能设备的实际充放电时间受负载电阻等外部因素的影响。介电电容器的能量密度至少比电池、燃料电池和电化学电容器的能量密度小一个数量级[13]。因此，迫切需要开发可以显著提高介电电容器能量密度的新型介电材料。具有中等介电常数、高击穿强度和低剩余极化的电介质是大功率储能应用的最佳候选材料。

本文介绍了陶瓷介质电容器的储能原理和分类，总结了近年来线性电介质、铁电体、弛豫铁电体和反铁电体的研究进展。其中详细介绍了每种电介质的优缺点、目前面临的挑战以及未来的发展前景，并就具体应用进行了讨论。为了改善介电材料的储能性能，开发高放电能量密度和效率的介电材料，人们探究了许多诸如微观结构工程、化学改性等策略，文中分析比较了不同策略的微观机理及改善前后的储能性能变化。

1 电介质容器的储能原理

介电电容器通常是平行板状，由两个导电电极和填充在它们之间的介电层组成，如图1所示[13]。

图1 电容器储能原理示意图[13]Fig.1 Schematic diagram of capacitor energy storage principle[13]

介电电容器的储能能力被称为电容(C)，可以用以下方程式来描述[8]：

(1)

式中：ε0是真空中的介电常数；εr是介电层的介电常数(或相对介电常数)；A是两个电极的重叠面积；d是介电层的厚度。

电容器的电容仅取决于电容器的几何形状和介质层的介电常数。当外加电压时，正负号相等的电荷在电极上积累，这个过程称为充电过程。电荷形成一个与外部电场方向相反的内部电场，内部电场随着电荷的增加而增大。当累积电荷产生的内部电场(Q)等于外部电场(V/d)时，充电过程结束。在充电期间存储的总能量W为[14]：

(2)

式中：Qmax为充电过程结束时的最大充电量；dq是电荷的增量；能量密度(J)可以用储能与电容器体积之比表示[15]：

(3)

式中：E是施加在介电层两端的电场；D是介电层中的电位移。对于高介电常数的介质，D(D=ε0εrE)非常接近极化P。因此，可以将此公式改写为[8]：

(4)

式中：Emax是累积电荷引起的最大电场，等于外部电场。因此，通过对极化轴和极化-电场(P-E)曲线之间的面积进行积分，可以很容易地从P-E曲线中获得能量密度。充电曲线与极化强度坐标轴之间的积分面积为充电能量密度，放电曲线与极化强度坐标轴之间的积分面积为放电能量密度，充放电曲线之间的积分面积为充放电能量损耗。

2 储能电介质材料分类

通常，用于能量存储的介电材料有4种：线性电介质(LD)、铁电体(FE)、弛豫铁电体(RFE)以及反铁电体(AFE)。根据电滞回线的形状可以区分材料的铁电特性，图2为不同类型材料的电滞回线示意图[16]。

图2 线性电介质(a)，铁电体(b)，弛豫铁电体(c)，反铁电体(d)的电滞回线[16]Fig.2 Polarization-electric field loops of linear dielectric(a)， ferroelectric(b)，relaxor ferroelectric(c) and antiferroelectric(d)[16]

2.1 线性电介质

线性电介质通常具有低介电常数、低介电损耗和高击穿强度(Eb)等特点。理想线性电介质的介电常数与电场无关。也就是说线性电介质的极化随着电场的增加而线性增加，没有迟滞。图2(a)为线性电介质的电滞回线。此类体系中无自发极化和电畴结构，无电滞现象。充电过程中储存的所有能量都可以在放电过程中从电介质中释放出来。但是其较小的饱和极化强度(Pmax)限制了能量存储密度。

线性电介质陶瓷包括一些简单的氧化物例如TiO2，Al2O3和SrTiO3[17-18]等。Huebner等[19]发现TiO2可能是脉冲应用中较有希望的候选材料，TiO2具有350 kV/cm的高击穿强度和110的介电常数，储能密度约为1 J/cm3。在TiO2陶瓷中掺入玻璃相可以有效降低陶瓷的孔隙率，提高击穿场强。例如，玻璃相掺杂量为10%(摩尔分数，下同)的TiO2，击穿场强可以提高到650 kV/cm，与纯TiO2陶瓷相比提升约1倍。

SrTiO3也是典型的具有钙钛矿结构的线性电介质材料，室温下介电常数较低，约为300，为立方结构，表现为顺电相。纯SrTiO3陶瓷的击穿强度约为100～200 kV/cm[20]。Wang等[21]通过改变SrTiO3体系中Sr/Ti比研究对陶瓷微观结构及储能的影响，当Sr/Ti比为0.996时，SrTiO3纳米晶陶瓷具有最高的击穿强度283 kV/cm和1.21 J/cm3的储能密度。线性电介质陶瓷材料的击穿强度相对较高，但是它的介电常数和极化强度都比较低，导致其在低电场下的储能密度较低，限制了其应用。

2.2 铁电体

铁电陶瓷诞生于20世纪40年代初，从高介电常数电容器到后来压电传感器、正温度系数器件和电光光阀的发展。基于BaTiO3(BT)和锆钛酸铅(PZT)两种成分体系的铁电陶瓷材料在历史上一直占据着主导地位[22]。

在部分晶体中，晶胞中正负电荷中心不重合，形成偶极矩，这种在无外电场存在的极化状态就称为自发极化。铁电体就是一种在一定温度范围内具有自发极化，并且在外加电场后其极化方向会随电场方向做可逆转动的非线性电介质材料。随温度升高，晶体的自发极化将消失，变为顺电体，导致诸多物理性质都将发生突变，如介电性、压电性、热力学性质等，发生铁电-顺电相变的临界温度被称为居里温度。

铁电体中各晶胞自发极化方向通常各不相同，但为了保证整体处于能量最低状态，在某一小区域内各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴。电畴的极化取向与晶体的对称性有关，只能沿着晶体的某几个特定晶向，且铁电畴取向改变将改变体系的自由能。因此，为了平衡畴壁两侧不同畴取向产生的自发应变并降低体系自由能，畴壁会依据不同的晶体结构呈现出特定角度。图2(b)为典型的铁电体的电滞回线，如BaTiO3(BT)和Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)陶瓷等，铁电畴在外加电场的作用下会发生畴壁转动，进而出现极化转向，撤去电场后部分不可逆的畴壁运动会保留一定极化状态，这一特性使铁电体具有比较大的剩余极化，因此放电能量密度很小并且效率很低。此外，大多数铁电陶瓷表现出相对较低的电介质击穿强度。因此，典型的铁电体不适合于储能应用。

BT是一种典型的室温铁电材料，具有较大的饱和极化，有利于获得较高的储能密度。然而，其剩余极化较高，导致能量效率低，使用过程中大量能量会以热能的形式损失，降低了器件的使用寿命。因此纯的BT不适合直接用于制作储能电容器。BNT是另一种被广泛研究的无铅铁电材料，具有43 μC/cm2的高饱和极化[23]，然而，其高达39 μC/cm2的剩余极化严重限制了其应用。人们通常会利用掺杂改性形成BNT基固溶体来改善其储能性能。

2.3 弛豫铁电体

图2(c)为典型的弛豫铁电体的电滞回线，该类型的铁电材料有PbMg1/3Nb2/3O3和BaTiO3-BiZn0.5Ti0.5O3陶瓷等。弛豫铁电体体系中偶极子极化取向随机分布，偶极子在施加外加电场时定向，撤去外电场后偶极子恢复随机取向状态。弛豫铁电体通常具有低的剩余极化率和小的滞回特性，能够提供高的饱和极化率和能量转换效率，与普通铁电材料相比，它们表现出接近零的剩余极化和更细的P-E回路。因此作为具有高放电能量密度和快速放电能力的储能材料越来越受到人们的关注[24]。

与铁电体中表现出的宏观极化的长程有序态不同，弛豫铁电体中出现了短程有序极性纳米微区(PNRs)[25]。这些PNRs具有高度动态性，对外界刺激(如电场)非常敏感，被认为是弛豫铁电体独特特性[26]。在冻结温度(Tf)以下，PNRs的动力学特性较弱，形成类似铁电体的电滞回线。随着温度的升高，PNRs的动力学增强。偶极子可以在外电场作用下对齐，并在去除电场后恢复到初始状态，对应图2(c)所示的细长电滞回线[27]。弛豫铁电体与铁电体区别的显著介电性能特征主要为：(1)弥散相变，即顺电-铁电相变并不是突变而是逐渐发生的，表现为在介电常数-温度关系曲线中介电峰的宽化，在高于居里温度附近时仍存在自发极化；(2)频率色散，即在低温区介电峰和损耗峰出现的位置随测试频率的提高而略微向高温方向移动，且介电峰值降低，损耗峰值增加[28]。

近年来，基于(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)和(Na0.5Bi0.5)TiO3(NBT)的无铅弛豫固溶体也得到了积极的研究。它们都具有较高的居里点，因此显示出高温应用的潜力[29]。据报道，当Sr(Sc0.5Nb0.5)O3含量大于10%时，(K0.5Na0.5)NbO3-Sr(Sc0.5Nb0.5)O3(KNN-SSN)固溶体表现出弛豫特性，在0.8KNN-0.2SN陶瓷中获得最大能量密度2.02 J/cm3(295 kV/cm)。Zhu等[30]利用传统固相法制备了0.85(0.95BNT-0.05SrZrO3)-0.15NaNbO3获得了高达3.14 J/cm3最大能量密度。Zhao等[31]通过SiO2包覆制备了核-壳结构的0.87BT-0.13Bi(Zn2/3(Nb0.85Ta0.15)1/3)O3基多层陶瓷电容器，其储能密度达到了18.24 J/cm。

2.4 反铁电体

图2(d)为典型的反铁电体的电滞回线，如PbZrO3陶瓷等，特点是具有较高的饱和极化，但击穿强度通常不高，且表现出双电滞回线特征。反铁电陶瓷材料(AFEs)与其他材料相比的优势主要在于其特殊的双电滞回线，但目前主要研究的反铁电陶瓷材料体系都含铅。与自发极化的铁电体不同，反铁电体中相邻偶极子的极化方向呈反平行排列，宏观上自发极化强度为零。在低电场下表现出低剩余极化和介电损耗，当外加电场逐渐增大时，反铁电相(AFE)中的反平行偶极子排列形成铁电相(FE)，从而在材料中引起宏观极化[32]。当外部电场的强度下降到低于FE-AFE相转换电场EA的强度时，FE相将转换回AFE相[33]。因此，反铁电体表现出独特的双PE环，如图2(d)所示。

目前主流应用的反铁电陶瓷材料体系大多为铅基材料，对环境和人体健康危害较大。Zhang等[34]研究了通过改善烧结方式来提高PbZrO3基反铁电材料储能性能，利用放电等离子烧结(SPS)后放电能量密度约为6.40 J/cm3，比常规烧结提高了1.75 J/cm3。此外在改善铅基反铁电材料储能性能方面，主要是对典型的PbZrO3材料通过A，B位取代来改善性能，目前最常见的是在A位掺杂La2+，B位掺杂Ti4+。例如Jo等[35]利用La2+和Ti4+掺杂取代制备了放电能量密度高达3.04 J/cm3的(Pb0.88La0.08) (Zr0.91Ti0.09)O3。Liu等[36]额外掺杂了Sn4+制备出(Pb0.97La0.02) (Zr0.58Sn0.35Ti0.07)O3，其储能密度达到了2.35 J/cm3。

线性电介质通常显示出高的电介质击穿强度(Eb)和低的能量损耗，但是低饱和极化限制了它们的能量存储应用。铁电体具有高的饱和极化(Pmax)和适度的Eb，但是由于其大的剩余极化(Pr)，它们的能量密度和效率均较低。具有优异能量存储性能的理想介电材料应具有较高的击穿电场，较大的饱和极化和较小的剩余极化。值得注意的是，由于弛豫铁电体材料和反铁电体材料的饱和极化强度相对较大，剩余极化强度接近于零，且Eb中等，因此它们具有比线性电介质和常规铁电材料更高的放电能量密度和效率。因此，弛豫铁电体和反铁电体由于其高密度能量密度而成为可实际用作储能材料的主要候选材料。

3 改善介电材料储能性能的策略

目前关于应用最广泛的BT基陶瓷储能性能改善的研究主要集中在提高击穿强度和减小剩余极化。获得高击穿强度需要高质量的铁电陶瓷(即低孔隙率、细而均匀的晶粒)。另一种有希望提高击穿强度的方法是对陶瓷颗粒进行表面改性。而低剩余极化和增大饱和极化主要通过化学改性的方法来实现。

3.1 微观结构工程

3.1.1 尺寸效应

随着电子元器件朝着小型化、集成化方向发展，微型电气结构适用性的增加要求特别注意由于微观结构的变化而引起的材料电性能的变化[37]。理论模型和实验结果表明，作为通过内应力、四方性变化和相变温度变化引起的陶瓷微观结构变化的重要结果，晶粒尺寸的变化极大地影响了陶瓷的性能[38-39]。

晶粒尺寸可以通过改变粉末粒度和烧结工艺来调整。与未优化晶粒尺寸的材料相比，优化晶粒尺寸通常会导致相对介电常数增加，居里温度降低以及矫顽场降低[40]。最佳晶粒尺寸可使畴壁的密度达到最大，从而能够以最小的反转电场进行切换。晶粒过大通常会因过大的反转电场而降低压电和介电性能[41]。相反，晶粒过小通常会由于晶格畸变的减少而抑制铁电性。在非常小的晶粒尺寸下，电畴也可能变得不稳定，因为自发极化由晶界电荷和极化梯度补偿[42]。因此，每种材料都存在不同的最佳晶粒尺寸。

例如在BT粉体中，晶粒尺寸的增加会导致畴尺寸的增大和压电性的降低。当晶粒尺寸在微米尺度以上时，90°畴尺寸随晶粒尺寸减小而减小，畴尺寸减小导致极化中畴壁迁移的作用增大，而介电常数的大小受90°畴壁运动的影响，因此介电常数更高[43]。而当晶粒尺寸减小至微米尺度以下时，对尺寸效应产生原因的解释尚不统一，目前主要的理论包括：弛豫表面效应、电畴结构、内应力等；弛豫表面效应是指陶瓷中的晶格在晶界处发生表面弛豫，晶格膨胀，使部分晶粒中的位移极化下降，此外，由于晶界处的局部电荷不平衡产生的钉扎效应，导致晶界附近的晶粒中局部区域的极化强度有所下降，此时随着晶粒尺寸的减小，极化强度降低，有利于形成立方结构[44]；电畴结构理论是随着晶粒尺寸的减小，形成铁电畴需要的能量变多，电畴结构减少，密度下降，同时晶界的增加会阻碍电畴的翻转，起到束缚畴壁的作用，极化降低，有利于形成对称结构[45]；内应力理论是指由于晶界处原子配位数不饱和产生了表面能，且表面能是随着晶粒尺寸减小而增大的，因此晶界处的内应力随晶粒尺寸减小而增大，内应力会限制畴壁迁移和电畴翻转，极化下降[46]。

Cai等[47]利用计算机软件模拟构建了4种含有不同晶粒尺寸的晶粒(50～125 nm)和晶界结构的纳米铁电陶瓷。在这些结构上，引入相场法来评估这些铁电陶瓷的介电击穿强度。然后，在经典双曲正切模型和修正双曲正切模型的基础上，采用有限元方法研究了电场位移与外加电场的关系。计算了这4种铁电陶瓷在击穿电场和选定电场下的电滞回线。从计算出的电滞回线中计算出了这些铁电陶瓷的介电常数、能量密度和储能效率。结果表明，随着晶粒尺寸的减小，介电强度提高，介电常数降低。放电能量密度和储能效率都随着击穿点处晶粒尺寸的减小而增大。然而，在相同的外加电场下，粒径较小的铁电陶瓷具有较低的放电能量密度，但具有较高的储能效率。结果表明，晶粒尺寸较小的铁电陶瓷在储能装置中有着广泛的应用前景。

Zhu等[48]研究了利用化学包覆方法在还原气氛烧结[49]制备的各种粒度(136～529 nm)的BT基陶瓷，重点测试了其在不同电场、不同温度下的储能性能和介电可调谐性。结果表明，细晶陶瓷具有较高的击穿强度、放电能量密度、能量效率和偏压电场稳定性。此外，TSDC结果还表明，由于晶界会阻止氧空位的弛豫，细晶陶瓷表现出较少的氧空位和较高的弛豫激活能。基于以上改进，细晶钛酸钡基陶瓷有望用于多层超薄储能陶瓷电容器，从而获得更高的能量密度。在另一项工作中，Zhu等[50]进一步研究了粒度范围在50～100 nm内的BT基陶瓷,实验结果表明，在晶粒尺寸为70 nm附近在击穿强度和极化的协同效应下在170 kV/cm实现了0.83 J/cm3的最大放电能量密度。

3.1.2 核-壳结构

“核-壳”结构在热力学上是一种非稳态结构，主要是通过调控掺杂元素种类/含量、掺杂手段和烧结过程等使掺杂元素在陶瓷晶粒中形成梯度分布：芯部为几乎纯BT的铁电相，壳部为掺杂元素与BT形成的固溶体。不同类型的核-壳结构见图3[51]。

图3不同的核-壳纳米微粒[51] (a)球形芯/壳纳米微粒；(b)六角形核-壳纳米微粒；(c)单一壳材料包覆的多种核材料Fig.3 Different core/shell nanoparticles[51](a)spherical core/shell nanoparticles;(b)hexagonal core/shell nanoparticles;(c)multiple small core materials coated by single shell material

化学包覆可以生产出包含所有添加剂元素的高度均一的掺杂剂壳，并且避免团聚。无论BT粉体粒径如何，都可以实现添加剂的均匀分布，从而实现了核-壳结构和介电性能的调控。同时核-壳结构也是实现BT基电容器温度稳定性的关键。

3.2 化学改性

3.2.1 化学掺杂

由于操作简单，化学掺杂是改善铁电体介电性能的最常用方法。在铁电体中，掺杂这一术语通常是指在低于3%(原子分数，下同)到5%的浓度下进行的离子置换。尽管浓度很低，但掺杂剂可以显著改变性质。化学改性通常是指取代量大于5%改性剂用于提高或降低居里温度或改变高温原型相相变的性质。下面将详细讨论掺杂剂和改性剂在BT及BNT中的应用。

在钙钛矿中，掺杂通常涉及取代A位或B位阳离子。尽管掺杂剂的浓度可能非常低，但是它们可以显著改变功能特性[52]。等价或异价的掺杂剂可以在煅烧之前添加以改变性能，或者也可以作为烧结助剂以促进致密化过程。用于特定铁电体的掺杂剂是根据要针对目标的特性进行选择的。

BT具有较高的饱和极化强度和剩余极化强度，为了降低较高的剩余极化，掺杂是调整铁电材料储能性能的一种可行方法。将Ba2+或Ti4+替换为等价或异价离子可显著提高BT材料的储能能力[22]。其中，最常见的是用Ca2+(或Sr2+)和Zr4+分别代替Ba2+和Ti4+的掺杂，Sr2+用于从120 ℃向下改变TC，Pb2+用于向上改变TC，Ca2+用于增加四方相的稳定性温度范围，以及Co2+用于在不影响压电常数的情况下降低高电场损耗[19]，从而提高能量密度和效率。

3.2.2 固溶体

Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)是另一种被广泛研究的无铅铁电材料。它的高剩余极化强度(≈39 μC/cm2)和大漏电流限制了其在介质电容器中的应用。为了消除这些不利因素，人们开发了大量的BNT基固溶体。例如，Chandrasekhar等[53]研究了0.93BNT-0.07BT和0.93BNT-0.06BT-0.01K0.5Na0.5NbO3陶瓷的储能性能，发现在BNT-BT体系中引入KNN可以有效地降低剩余极化。因此，BNT-BT-KNN陶瓷的储能密度高达0.598 J/cm3(BNT-BT陶瓷为0.485 J/cm3)。

4 工业应用及展望

多层陶瓷电容器(muti-layer ceramic capacitors,MLCC)主要由陶瓷电介质和金属内电极组成，适合于安装在电子产品的印刷电路板上，用于暂时存储及释放电荷。MLCC广泛应用于消费电子、汽车电子、通信以及工业自动化、航空航天等其他工业领域中。MLCC的市场需求主要源于军工、工业和民用三大方面，军工产品主要包括航空航天、兵器、军用移动通信设备等领域，工业产品主要包括通讯系统、控制系统、医用电子设备、汽车电子产品、精密仪器等，民用产品主要包括电脑、手机及音视频记录设备等。

目前，MLCC应用在消费电子、通信设备、汽车领域的占比总和超 50%。在通信方面，近年来，5G技术逐渐成熟，对被动元件的市场需求也在持续扩大。在汽车方面，随着信息娱乐、全球定位导航和其他安全驾驶辅助系统(例如ADAS)不断被纳入汽车的标准配置中，对车用被动元件的需求急剧增长。此外，电动汽车替代燃油汽车也已成为汽车市场未来的发展趋势。电动汽车普及率的提升为车用高可靠MLCC产品提供了广阔的发展空间。过去十多年，智能手机的迅速普及是推动陶瓷电容器等电子元器件增长最重要的动力，但智能手机市场在经历爆发增长后近年来增幅有所下降，整体市场规模逐渐趋于稳定，进入平稳发展阶段。随着智能手机产品功能的不断升级、5G通讯和新能源汽车普及，以及物联网、可穿戴、AI等新兴产业的发展，MLCC需求量有望进一步增长。

伴随着通信、汽车、消费电子等应用市场的发展，对MLCC也提出了小型化、高耐电压性、高可靠性等技术发展要求。对其未来发展方向产生如下预期：

(1)器件小型化。尺寸的小型化一直是MLCC发展的主要趋势，由于对电子设备轻薄化的追求，陶瓷电容器也朝着小型化、大容量发展。利用提高瓷介质介电常数、高叠层数等技术手段，优化其比容效率，来适应当前电子设备的需求。

(2)高耐压与高可靠性。智能家居、汽车电子及通讯基站等领域的深入应用对MLCC提出了高可靠性的要求。在制造工艺方面，薄介质流延技术、内电极印刷质量、气氛烧结等关键技术对MLCC的耐压性能和可靠性的影响尤其显著。

(3)使用贱金属电极替代贵金属电极。传统的多层陶瓷电容器常使用钯和银作为其电极的制造材料，市场价格较高。研究使用类似铜、镍等贱金属作为替代材料取代传统的贵金属内电极铂、钯及银-钯合金电极已经成为主流研究方向，可大大降低MLCC的制造成本，有利于产能的扩充及降低价格。

(4)陶瓷粉体新体系的探索研究。陶瓷粉体是制作陶瓷电容器的最主要、最关键的材料，直接关系到生产成本与器件性能，除了目前应用最广泛的钛酸钡体系，研发其他高性能陶瓷粉材料及开发相应的制备工艺对于行业的可持续发展具有十分重要的意义。

5 总结

开发利用可再生能源的需求是储能装置研究的动力。目前，由于实际应用条件要求元件能在高温等恶劣环境中生存，这对商用聚合物电容器而言是很大的挑战，而对陶瓷基电容器的应用则更为有利。多晶陶瓷，特别是钙钛矿结构的氧化物具有广泛的应用前景。陶瓷基电介质按其介电性能可分为4类：线性电介质、铁电体、弛豫铁电体和反铁电体。介质电容器的一个重要指标是能量密度。根据其背后的物理原理，提高介电材料的介电常数是提高能量密度的最有效途径。本文总结了常见的一些改善介电材料储能性能的策略。(1)微观结构工程，如尺寸效应和核-壳结构。介电常数、绝缘电阻、击穿强度、储能特性和偏压特性等都表现出强烈的晶粒尺寸依赖性，通过适当地降低晶粒尺寸，可以使材料电导率、损耗及偏压变化率降低，击穿强度和储能效率提高，在晶粒表面包覆高击穿强度相同样可以提高陶瓷的击穿强度。(2)化学改性，如化学掺杂和固溶体。适量的元素掺杂可以起到降低剩余极化和缺陷浓度等作用，从而提高材料的能量密度和效率。在实际的工业应用中，目前陶瓷电容器等电子元器件的需求增长主要依赖于消费电子产品市场的发展。由于对电子设备轻薄化的追求，陶瓷电容器也朝着小型化、大容量发展。为了降低工业成本，也对陶瓷电容器提出了低成本、高可靠性的要求。要制备小尺寸、大容量的陶瓷电容器，实现介质材料的超细化和纳米化是必要条件。而为了降低成本，采用价格便宜的贱金属铜和镍取代传统的贵金属内电极铂、钯及银-钯合金电极已经成为主流研究方向。