中國粉體網訊  世界經濟的快速發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PNRs共存的異質結構

根據介質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被認為是極具優化潛力的候選材料，因其納米疇發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，一些初步工作發現，過量引入Sr²⁺會導致較大的P_max損失而限制儲能性能的優化。因此，協調多態納米疇的比例以增大P_max-P_r值和優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、頻率和循環次數)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(PNRs)嵌入C相順電基體的異質結構，如圖一所示。通過組分調制優化R相和T相納米疇的比例，實現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PNRs極大地優化儲能性能的同時也可以實現優越的溫度不敏感性。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，使得該體系同時保持了與鉛基陶瓷相當的超高W_rec值10.28 J·cm^-3和η值(97.11%)，優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 ℃)內具有較高的性能和穩定性(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《能源環境科學》《Energy & Environmental Science》(IF=32.5)在線發表。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。

（中國粉體網編輯整理/空青）

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