研究背景
電熱效應（ECE）是指在電場作用下材料中極性熵的變化，這一現象為固態制冷技術提供了新的解決方案，特別適用于環保型制冷和空調技術等領域。與傳統的氣體制冷技術相比，電熱材料不僅具有較高的能效比，還能實現零全球變暖潛力，成為許多創新應用的理想選擇。
近年來，鐵電陶瓷材料因其較大的極化響應和合理的熱導率，成為電熱效應領域的重要研究對象。然而，現有材料的性能受限于材料的有序極性結構，這使得在低電場下的電熱效應表現不理想，從而限制了其在實際應用中的廣泛使用。因此，如何提高材料的極性熵，降低極性結構的有序性，成為提升電熱效應性能的一大挑戰。
針對這一挑戰，上海交通大學錢小石教授團隊以及伍倫貢大學張樹君教授合作在“Nature”期刊上發表了題為“Giant electrocaloric effect in high-polar-entropy perovskite oxides”的最新論文。該團隊設計并制備了一種無鉛松弛型鐵電材料（BSHSZT），通過在鈣鈦礦結構的A位和B位進行多元素替代，成功引入了結構畸變，從而誘導出多種納米尺度的極性配置、極性變種和非極性區域。該材料在電場的作用下展現出了顯著的極性熵增加，且在10 MV/m電場下，其電熱熵變化達到了15 J/kg·K，顯著提高了電熱效應性能。此外，該材料的使用壽命超過了100萬次循環，證明了其在實際應用中的高穩定性。
利用這一多元素替代策略，團隊不僅提升了BSHSZT材料的電熱效應性能，還優化了其結構，使得該材料在較低電場下也能有效實現較高的電熱效應，為電熱制冷技術的實際應用提供了新的技術路徑。這項研究展示了高極性熵策略在提高電熱效應性能方面的巨大潛力，為未來電熱材料的設計和應用開辟了新的方向。
研究亮點
（1）實驗首次通過多元素原子替代，成功開發了一種無鉛放松型鐵電材料BSHSZT，材料中引入了多種極性失序特征，顯著提升了電熱效應（ECE）。該材料通過在鉛鈦礦結構的A位和B位同時進行多元素替代，成功實現了晶格結構的有效扭曲，從而在納米尺度上誘導了多種極性配置、極性變體和非極性區域。
（2）實驗通過多元素替代，調控了材料的極性熵。材料顯示出在10 MV/m電場下的電熱熵變化為15 J/kg·K，超過了未替代的BT和BZT材料，表現出更高的電熱效應。這一結果表明，通過多元素替代所產生的極性失序大大增加了極性熵，從而提升了材料的電熱性能。
（3）通過電場調控，研究發現BSHSZT材料的極性狀態能夠有效調節，且在不同溫度和電場強度下均表現出優異的電熱響應。這種極性調節機制使得BSHSZT能夠在寬廣的溫度范圍內表現出穩定的電熱效應，適合用于實際的電熱制冷應用。
（4）BSHSZT陶瓷在高達100萬次的循環壽命測試中表現出極好的耐久性，證明了該材料在長期使用中的可靠性。研究還表明，基于BSHSZT的多層陶瓷電容器（MLCCs）在結構和電熱性能上具有顯著優勢，具有應用于實際電熱制冷裝置的潛力。
圖文解讀
圖1：HPE策略和具有較高ECE的BSHSZT材料。
圖2：BT、BZT和HPE陶瓷的結構表征和相場模擬。
圖4：三種極性陶瓷的介電和極化響應、BSHSZT陶瓷的使用壽命以及BSHSZT MLCCs的結構和電熱性能。
結論展望
本文通過多元素離子替代的方法，成功引入了極性無序性和晶格畸變，顯著增強了材料的極性熵，從而提高了電熱效應。這一策略表明，在材料設計中引入極性無序性并精細調控不同極性狀態的共存，是優化電熱性能的有效途徑。此外，通過HPE設計，可以降低極性反轉的能量障礙，使材料在較低電場下表現出更高的電熱效應，這為實現更高效、低功耗的固態制冷技術提供了新的思路。
另一方面，實驗結果表明，BSHSZT材料在實際應用中具有良好的性能穩定性和長使用壽命，尤其是在多層陶瓷電容器（MLCC）中表現出優異的電熱性能，這為將該材料應用于實際電熱制冷設備提供了可行的路徑。這些發現為下一步開發具有更高電熱效應、長壽命及更廣泛應用的材料提供了寶貴的參考，并為高效固態制冷技術的推廣奠定了基礎。
錢小石教授2018年7月起受聘于上海交通大學機械與動力工程學院，回國后已發表Science論文3篇，Nature4篇。
原文詳情：
Du, F., Yang, T., Hao, H. et al. Giant electrocaloric effect in high-polar-entropy perovskite oxides. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08768-8
