20.2 J/cm3 储能：高熵 MLCC 电容器

20.2 J/cm3 储能：高熵 MLCC 电容器

抽象

一种高熵多层陶瓷电容器以 93.8% 的效率存储 20.2 J/cm³ 的可用能量，每个循环损失 1.3 J/cm³ 的能量。其能量增益源于多阳离子晶格，而非更高的介电常数。本文给出了可用能量积分、熵设计规则和 Weibull 击穿统计，并阐述了这种介质在千伏脉冲源中的应用场景以及高压陶瓷级电路的适用场景。

1. 引言

便携式脉冲功率仪器受限于体积和质量，其存储元件通常是内部最大最重的子系统。闪光X射线发生器、电容放电脉冲发生器和紧凑型马克思源都存在这一缺陷。

从物理学的角度来看，只有两个控制点。脉冲源可用的能量为½·C·V²，因此电容和电压是仅有的控制点，而介质层会同时限制这两者。

单位体积储能能力差的介质会导致电容器体积增大、仪器重量增加、电池寿命缩短。最坏的情况下，它还会迫使设备在接近击穿场强的条件下运行。

几十年来，人们对高密度材料的研究实际上就是对更高介电常数的研究。钛酸钡铁电体饱和较早，且磁滞现象显著，因此实际放电能量最终稳定在较低水平。

高熵陶瓷则采取不同的方法。多个阳离子共享晶格位置，这使得光电响应趋于平缓，延迟饱和，缩小滞后范围，并提高击穿场强。

一种高熵MLCC在93.8%的效率下达到了20.2 J/cm³的可用能量密度（Liu等人，JACS，2025）。目前还没有传统的铁电MLCC能够达到这样的性能水平。

2. 核心机制

2.1 可用能量密度和效率

对于铁电体或弛豫体介质，可用能量密度并非½ε₀ε_rE²，而是PE回路放电支路下的面积：

u_rec = ∫ E · dP

其中 u_rec 为可用能量密度（单位：J/cm³），E 为外加电场（单位：V/m），P 为极化强度（单位：C/m²）。积分遍及回路的放电支路。

充放电循环的效率是指回收的能量与总能量的比值：

η = u_rec / (u_rec + u_loss)

其中η为效率，u_rec为可用能量密度（单位：J/cm³），u_loss为每个循环损失的能量（单位：J/cm³）。当u_rec = 20.2 J/cm³且η = 93.8%时，总能量密度约为21.5 J/cm³，能量损失约为1.3 J/cm³。

在脉冲工况下，效率指标最为重要。每个循环中只有 1.3 J/cm³ 的能量以热量的形式从介质中逸出，因此该部件可以以有效的速率进行充电而不会过热。

2.2 高熵设计规则

多阳离子固溶体的混合熵决定了其设计规则：

ΔS_mix = −R · Σ xᵢ · ln(xᵢ)

其中 ΔS_mix 是混合时的熵变，单位为 J/(mol·K)，R 是气体常数 (8.314 J/(mol·K))，xᵢ 是阳离子 i 的摩尔分数。对于 xᵢ = 0.2 的五个近等摩尔阳离子，结果约为 13.4 J/(mol·K)。

该值超过了用于定义高熵陶瓷的 1.5R 阈值（约 12.5 J/(mol·K)）。多阳离子无序会产生局部随机场，使磁滞回线变平：磁滞延迟达到饱和，磁滞回线变窄，漏电流降低。

20.2 J/cm³ 的能量密度和 93.8% 的效率正是基于这种机制得出的。仅靠更高的介电常数并不能产生这种能量密度。

2.3 崩溃强度和威布尔统计量

薄型MLCC层提高了工作场强，击穿仍然是一个统计事件：

P_f = 1 − exp(−(E/E₀)^β)

其中 P_f 为失效概率，E 为施加的场强（单位为 V/m），E₀ 为特征击穿场强，β 为分布的形状参数。

高熵陶瓷具有两项优势：一是缺陷容忍度高的晶格结构降低了漏电流，从而提高了能量 E₀；二是更窄的分布带来了更陡峭的 β 值。这两项优势共同作用，使得材料能够在接近 E₀ 的工作磁场下工作，同时避免过早失效。

在由许多部件组成的系统中，β 与 E₀ 同等重要。系统尾部最薄弱的部件决定了安全的工作范围。

2.4 从介质到成品部件

器件特性和介电特性因MLCC叠层的体积效率而异。在ε_r ≈ 1,600和1.0 MV/cm时，有源介电层测量如下：

u_diel = ½ · ε₀ · ε_r · E²

其中 u_diel 为介电常数密度（单位：J/cm³），ε₀ 为真空介电常数（8.85×10⁻¹² F/m），ε_r 为相对介电常数，E 为外加电场（单位：V/m）。结果约为 70 J/cm³。

成品器件的介电常数为 20.2 J/cm³，这反映了扣除电极、裕量和端子后，封装体积中仍保持有效能量的比例。如果仅根据介电常数来设计器件尺寸，最终结果会存在大约三倍的误差。

图 1 — 五阳离子晶格使 PE 环路变平，效率达到 93.8%，因此 70 J/cm³ 介电常数中的 20.2 J/cm³ 到达成品部分。

3. 工程痛点

痛点1：传统铁电材料在存储能量之前就会达到饱和状态。

钛酸钡介质在适中的电场下就会饱和。回路会变成一条狭窄且损耗很大的细条，可用能量远低于 ½ε₀ε_rE² 值。

采用标准材料的封装设计会遇到密度上限。任何封装方式的改变都无法突破这个上限，因为限制因素在于介质本身。

痛点二：高场强下的效率崩溃会演变成热问题

在达到 20 J/cm³ 级能量密度所需的电场强度下，磁滞和传导损耗会迅速增加。总能量密度为 21.5 J/cm³ 的 60% 效率介电材料，每个周期会耗散 8.6 J/cm³ 的能量。

这相当于高熵部分能量密度 1.3 J/cm³ 的 6.6 倍。在 5 Hz 频率下，这两个能量密度分别为 43 W/cm³ 和 6.5 W/cm³。两者之间的差异决定了是采用主动冷却还是手持式探头。

痛点3：薄层材料的抗拉强度受缺陷限制。

实现高场强所需的薄层对针孔、夹杂物和边缘缺陷的容忍度极低。生产过程中的β值介于5到15之间。

一家运营成本接近E₀的大型银行，会接受在市场尾部某个位置出现早期破产。薄层收益的代价是筛选收益率和降息幅度，而这两者都需要成本。

痛点 4：介电材料的工艺限制

高熵混合物必须在还原气氛下与贱金属电极（通常是镍）共烧而不发生性能退化。电极与介质之间的热失配引起的内应力也会限制产量。

边距和端子占据了不存储任何电荷的体积。正是这部分体积使得介电常数为 70 J/cm³，而器件本身的介电常数为 20.2 J/cm³。

痛点 5：20 J/cm³ 部件的电压上限

即使是能量密度为 20.2 J/cm³ 的多层陶瓷电容器 (MLCC) 也能在低电压下工作。无损检测脉冲源在其 Marx 级和 PFN 级需要 5 kV 至 150 kV 的电压。

通过串联多层陶瓷电容器（MLCC）达到这些电压需要重新引入平衡网络、绝缘协调和寄生电感。而单级高压陶瓷电容器则通过其结构避免了这三者。

4. 设计步骤

策略 1：根据可用能量、效率和 β 值指定介电常数

向供应商索取工作磁场和温度下的 u_rec 和 η 值，而不仅仅是介电常数。优先选择 ΔS_mix 等于或大于 1.5R 的复合材料，因为扁平的磁滞回线才能保证在高磁场下 η 值保持稳定。

请确认所提供批次的 E₀ 和 β 值。标题 20.2 J/cm³ 并不能确定安全工作范围；只有两个 Weibull 值才能确定。

策略二：根据每个循环的损耗设计热路径。

使用 u_loss 进行热计算，并记住体积加热率为 u_loss × f。在 5 Hz 时，20.2 J/cm³ 的部件产生约 6.5 W/cm³ 的功率，这需要在组件中具有明确的热路径。

将介质温度保持在额定最大值的 80% 以下，并增加遥测功能，以便在电池组过热之前降低脉冲频率。热失控是高密度 MLCC 储能器件的隐患故障模式。

策略 3：筛选并降低 Weibull 尾部的权重

对进厂零件进行耐压筛选，剔除低β值的尾部零件。银行的强度取决于其最薄弱的环节，而尾部零件正是早期故障的根源。

工作电压应为额定电压的 70% 或更低。结合反功率寿命模型和 8 到 10 的电压指数，可使寿命延长 20 到 35 倍。熔断器应采用串并联子组并增加 HVR-BSP 厚膜平衡电阻器 因此，一个弱单元会削弱整个字符串，而不是使其级联衰减。

策略四：在系统层面考虑流程约束

所需的器件体积应从器件级的 u_rec 推导而来，而不是从介质级的 u_diel 推导而来。验证供应商工艺中基体金属共烧工艺的成分，因为无法共烧的介质就不是合格产品。

在产品发布前，对组装好的组件进行热循环内应力测试。即使某个部件在测试台上通过了测试，但在封装后的组件中，经过几百次循环后也可能出现裂纹。

策略 5：按电压等级划分架构

将高熵MLCC用于紧凑、高密度、低压存储器和高速率脉冲形成电路中，因为它们20 J/cm³的能量密度优势显著。 N4700高压陶瓷电容器 Marx 和 PFN 级的电压范围为 1 kV 至 150 kV，其中一个部件可以替代数百个堆叠的 MLCC。

设定一个临界点，当堆叠成本和平衡复杂性超过单个陶瓷平台的成本时，就应该停止工作。实际上，这个临界点通常在 1 kV 到 5 kV 之间。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10千伏直流电。	高压 1.5 倍，持续 60 秒。
电容量	4700 pF ±20% (472M)。	1 MHz，1 V rms。
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ。	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH。	端子间距 40 毫米。
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ。	25℃，60%相对湿度。
温度范围	−40 °C 至 +125 °C。	IEC 60068-2 系列。
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs。	在额定电压下。

5. 高熵电容器组上方千伏级的HVC电容器

高熵MLCC用于覆盖脉冲源的紧凑型低压端，而千伏端则保持开路。HVC在东莞一家占地6,000平方米的自有工厂生产N4700 I类高压陶瓷电容器，电压范围从1千伏到150千伏。

这里需要考虑的六个参数

• 损耗角正切低于 0.1%，100 kHz 时 ESR 低于 10 mΩ。这比相同频率下的弛豫型 MLCC 低一到两个数量级，因此在高脉冲频率下，kV 级损耗仍然可以忽略不计。
• 电压范围从1千伏到150千伏。 HVCT9G 圆盘电容器和 HVCT8G 门把手电容器 适用于电压高于 5 kV 的 Marx、PFN 和闪光 X 射线平台，而 MLCC 无法达到该电压。
• 在额定电压下，局部放电电流低于或等于 5 pC，温度系数接近 ±30 ppm/°C，电容-电压线性度高于 99%。脉冲形成在仪器的使用寿命内保持可预测性。
• 采用环氧树脂封装，并覆以三重防护涂层，通过了96小时盐雾试验。这种防潮性能无需MLCC电池组所需的额外保形涂层。
• 合格脉冲寿命超过 10⁶ 次出院服役。 HVRGHP 低电感采样电阻器 覆盖电流检测路径，并且 快速恢复整流二极管 涵盖充电阶段。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数： TDK UHV/FHV、Murata DHS/DHR、Vishay HVCC 和 KEMET 径向引线部件。

交付和支持

标准零件的交货时间为 4 至 8 周，定制匹配套装的交货时间为 6 至 10 周，而上述品牌的交货时间为 20 至 30 周。

请提供存储能量、充电电压、脉冲宽度和脉冲频率。HVC 将在五个工作日内回复您一份混合电池组方案，其中包含部件编号、工作频率下的损耗数据以及两件样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：20.2 J/cm³ 这个数值包含哪些内容？

这是器件级的可用能量，可从PE回路的放电支路读取。相同材料中的活性介质在1 MV/cm电场强度下约为70 J/cm³。电极、边距和端子占用了剩余的能量，因此基于介电常数估算的体积比实际值小约三倍。

Q2：为什么熵会增加储存的能量？

由于多阳离子无序性会产生局部随机场，从而使极化回线趋于平坦。回线饱和时间延迟，磁滞变窄，漏电流降低，因此放电时更多的电荷能够返回。当五种阳离子的摩尔浓度接近相等时，混合熵达到 13.4 J/(mol·K)，高于 1.5R 阈值 12.5 J/(mol·K)。

Q3：密度为 20.2 J/cm³ 的部件会产生多少热量？

由于效率高达 93.8%，因此每个循环大约需要 1.3 J/cm³ 的能量。在 5 Hz 频率下，这相当于 6.5 W/cm³ 的功率，需要特定的散热路径。如果介质的效率为 60%，且总密度相同，则每个循环需要耗散 8.6 J/cm³ 的能量，或在 5 Hz 频率下耗散 43 W/cm³ 的功率，并且需要主动冷却。

Q4：除了密度数据之外，我还需要供应商提供什么信息？

四个数值：运营范围内的 u_rec 和 η，以及所提供批次的 E₀ 和 β。密度指标并不能确定安全运营范围，银行倒闭的原因是 Weibull 分布尾部最弱的单元，而不是平均值。请索取生产批次数据，而不是典型曲线。

Q5：使用堆叠式MLCC可以达到20 kV吗？

只有采用大型串联叠层、平衡网络和精心设计的绝缘配合才能实现这一点。单个MLCC（多层陶瓷电容器）可承受数百伏的电压。一个1kV至150kV的陶瓷级就能替代数百个5kV以上的叠层元件，同时还能消除叠层带来的寄生电感。

Q6：什么会首先导致高密度MLCC层损坏？

在大多数现场应用中，温度是主要影响因素。电容和损耗角正切 (tan δ) 均随温度升高而增大，因此损耗增加且上升速度加快。屏蔽低β值尾部，将电压降至额定电压的70%，保持铁芯温度低于额定最大值的80%，并密切监测电池组温度与基准温度的偏差。

7。 参考

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第 1 部分：一般要求日内瓦：IEC，2016。
2. IEC 61071:2017， 电力电子电容器日内瓦：IEC，2017。
3. IEC 60384-8:2015， 电子设备用固定电容器——第8部分：陶瓷介质固定电容器，1类日内瓦：IEC，2015。
4. IEC 60270:2015， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
5. RW 埃里克森和 D.马克西莫维奇， 电力电子学基础，第 3 版。Cham：Springer，2020 年。
6. Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：威利出版社，2003 年。
7. KY Chuong、JA Bock、EA Patterson、HJ Brown-Shaklee、L. Graber 和 LM Garten， 利用双极电压循环延长多层陶瓷电容器寿命IEEE 元件、封装和制造技术学报，第 15 卷，第 2 期，第 272-280 页，2025 年。https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3493964
8. 美国 10,529,487, 具有不同边缘位置的内部电极的多层陶瓷电容器，太阳诱电有限公司，2020 年授权，https://www.freepatentsonline.com/10529487.html。
9. GB/T 6346.1-2024， 电子设备用固定断路器第1部分：总体规范 （电子设备用固定电容器 - 第 1 部分：通用规范）。北京：国家市场监督管理总局，2024。
10. 高压BME多层陶瓷电容器的应用考虑因素KEMET Electronics（CARTS International 2012 会议论文集），https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com