中國粉體網(wǎng)訊  世界經(jīng)濟的快速發(fā)展總是伴隨著人類社會對能源需求的不斷增加，因此高效儲能技術受到學術界和商業(yè)界廣泛關注。儲能陶瓷電容器作為脈沖電力電子應用的核心部件，其發(fā)展具有重要意義。與目前可用的其它電能存儲設備(電池、燃料電池和超級電容器)相比，其優(yōu)點包括快速充電/放電的能力，更高的功率密度和更長的壽命等，這對于先進電力電子設備向小型化和集成化的發(fā)展具有決定性意義。然而，能量密度小和/或能量效率低以及溫度不穩(wěn)定性是促進介電陶瓷電容器實際應用的主要阻礙。

圖1.BMT15-RRP陶瓷中多態(tài)PNRs共存的異質(zhì)結構

根據(jù)介質(zhì)電容儲能的公式和基本原理，高性能電容器應具有高擊穿E_b、大的最大極化強度(P_max)與剩余極化強度(P_r)差值(P_max-Pr)、極化飽和緩慢和溫度不敏感等特點。弛豫鐵電材料RFEs被認為是極具優(yōu)化潛力的候選材料，因其納米疇發(fā)生極化轉換所需的能量勢壘低，而鐵電體FEs的微米級疇具有強互耦作用。目前公認的增強弛豫行為的方法是通過在FEs中引入順電或線性端元以誘導無序結構或納米疇，比如BT-BaZrO₃和BF-SrTiO₃等。類似地，通過將順電組元SrTiO₃(ST)或Sr²⁺引入到室溫下呈R相的BNT陶瓷的A位點，可以在BNT-ST弛豫體系中實現(xiàn)菱方(R3c,R)和四方(P4bm,T)相納米疇的共存結構。值得注意的是，在這種多態(tài)納米疇結構中，極化各向異性和能量勢壘明顯受損，導致極化在電場下的轉換比單相納米疇更加平順。然而，一些初步工作發(fā)現(xiàn)，過量引入Sr²⁺會導致較大的P_max損失而限制儲能性能的優(yōu)化。因此，協(xié)調(diào)多態(tài)納米疇的比例以增大P_max-P_r值和優(yōu)化制備工藝以提高擊穿場強為此項工作的研究重點。

圖2.BMT15-RRP陶瓷在不同測試條件下(電場、溫度、頻率和循環(huán)次數(shù))的儲能特性

針對這一問題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授團隊通過在(Bi_0.5Na_0.5)_0.7Sr_0.3TiO₃(BNST)弛豫鐵電陶瓷中引入Bi(Mg_1/3Ta_2/3)O₃(BMT)端元，設計出一種R相和T相極性納米微區(qū)(PNRs)嵌入C相順電基體的異質(zhì)結構，如圖一所示。通過組分調(diào)制優(yōu)化R相和T相納米疇的比例，實現(xiàn)疇的最平順切換路徑，在保持最大極化的同時最小化極化滯后。結果表明，隨著弛豫體系化學復雜度的增加，極化無序程度加劇，誘導的多態(tài)PNRs極大地優(yōu)化儲能性能的同時也可以實現(xiàn)優(yōu)越的溫度不敏感性。此外，由于組織結構均勻致密，平均晶粒尺寸呈指數(shù)級降低，反復軋膜工藝(RRP)增強了擊穿場強E_b這一關鍵參數(shù)，使得該體系同時保持了與鉛基陶瓷相當?shù)某�高W_rec值10.28 J·cm^-3和η值(97.11%)，優(yōu)于目前報道的其它無鉛體系，特別是其能量損耗極低。此外，該陶瓷在寬溫范圍(25-200 ℃)內(nèi)具有較高的性能和穩(wěn)定性(W_rec~6.35±9% J·cm^-3，η~94.8%±3%)，如圖二所示。這些結果表明，這種多組元設計可以被認為是開發(fā)下一代高性能儲能應用RFEs的可行范例，并可能引起研究人員對其它領域材料設計的普遍興趣。

該研究成果以“一種近零能量損耗的無鉛高溫陶瓷電容器”(A High-Temperature Performing and Near-Zero Energy Loss Lead-Free Ceramic Capacitor)為題，在國際知名期刊《能源環(huán)境科學》《Energy & Environmental Science》(IF=32.5)在線發(fā)表。該工作以西安交通大學為唯一通訊單位，電信學部電子學院博士生李達為第一作者，電子學院周迪教授、電子學院徐諦明助理教授和前沿院王棟教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、陜西省國際合作項目等項目的資助，西安交通大學國際介電研究中心提供了大量測試表征支持。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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