中國(guó)粉體網(wǎng)訊  1746年，荷蘭科學(xué)家Pieter van Musschenbroek發(fā)明了世界上最原始形式的電容器儲(chǔ)能裝置——萊頓瓶。萊頓瓶是一個(gè)玻璃容器，內(nèi)外包覆著金屬箔作為極板，瓶中插入一根金屬導(dǎo)電棒，上端為球形電極，下端連接容器內(nèi)側(cè)金屬箔，這就構(gòu)成了以玻璃瓶為電介質(zhì)的電容器。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，只要兩個(gè)金屬板中間隔一層絕緣體就可以制成電容器，而并不一定要制造萊頓瓶一樣的裝置，自此拉開了電容器介質(zhì)材料的研究序幕。而后，儲(chǔ)能電容器介質(zhì)材料又經(jīng)歷了從“油”到“水”，再到固態(tài)電介質(zhì)的數(shù)次重大突破。

Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)作為陶瓷基儲(chǔ)能電介質(zhì)材料的典型代表，存在獨(dú)特的外場(chǎng)誘導(dǎo)反鐵電相到鐵電相的相變行為，相變過(guò)程伴隨著巨大的能量存儲(chǔ)與釋放。Pb基陶瓷介質(zhì)無(wú)論是塊體還是薄膜材料都具有良好的儲(chǔ)能性能，部分材料已被工業(yè)生產(chǎn)。但是，Pb基陶瓷中PbO(或Pb₃O₄)的強(qiáng)毒性以及在燒結(jié)過(guò)程中的高揮發(fā)性使得鉛基陶瓷在制備、使用及廢棄后處理過(guò)程中對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。為了保持人類社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷介質(zhì)材料。

近10年來(lái)，無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷儲(chǔ)能特性研究進(jìn)展迅速，儲(chǔ)能密度不斷取得新突破。其中，NaNbO₃無(wú)鉛陶瓷具有低的理論體積密度、高的潛在極化強(qiáng)度，并具有環(huán)境友好的特性，因而該體系日益受到關(guān)注。但是，迄今NaNbO₃基無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷仍然面臨如何同時(shí)獲得高儲(chǔ)能密度和高儲(chǔ)能效率的研究挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與同濟(jì)大學(xué)合作，利用鐵電疇和能帶工程的協(xié)同優(yōu)化策略，有效提高了NaNbO₃基無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷的綜合性能。通過(guò)在NaNbO₃基體的A位引入異價(jià)Bi³⁺離子、在B位引入Ta⁵⁺離子，獲得了具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Na_0.7Bi_0.1Nb_1-xTaxO₃（NBNT_x）無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷。陶瓷中所形成的A、B位離子無(wú)序和A位離子空位，引起局域無(wú)規(guī)場(chǎng)，打破了長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，形成了高活性極性納米微區(qū)PNRs，從而降低了體系剩余極化強(qiáng)度，提高了其儲(chǔ)能效率。同時(shí)，Ta的摻雜也有利于提高陶瓷的禁帶寬度，顯著降低了平均晶粒尺寸，進(jìn)而提高了陶瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在530kV/cm的電場(chǎng)作用下，Na_0.7Bi_0.1Nb_0.9Ta_0.1O₃陶瓷獲得了高儲(chǔ)能密度（Wrec=7.33J/cm³）和高儲(chǔ)能效率（η=83.68%）。該陶瓷同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和充放電特性(t_0.9=60ns,P_D=320.21MW/cm³)。研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，doi.org/10.1039/D2TA02534E。

論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生楊偉偉，通訊作者為曾華榮研究員和同濟(jì)大學(xué)翟繼衛(wèi)教授。相關(guān)研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然基金委面上項(xiàng)目等課題的資助和支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA02534E

(a-d) NBNTx陶瓷的P-E曲線，(e-f) NBNTx的儲(chǔ)能特性

參考來(lái)源：

[1]上海硅酸鹽所

[2]張光祖等.儲(chǔ)能用無(wú)鉛鐵電陶瓷介質(zhì)材料研究進(jìn)展