合肥工業大學Adv. Funct. Mater.: 超高儲能密度新型無鉛弛豫反鐵電陶瓷

【背景介紹】

固態介質電容器因其高功率密度和超快充放電速率而成為脈沖功率系統的核心部件。其中，反鐵電陶瓷在電場下可逆的相變過程使其具有高儲能密度，在介質儲能材料中具有明顯的優勢。然而，該可逆相變過程的滯后性同時也會給正常反鐵電陶瓷帶來儲能效率較低且疲勞特性差的弊端。經研究發現，反鐵電電疇尺寸的降低不僅能夠有效提高反鐵電-鐵電相變的驅動電場，進而提高充電儲能密度，而且可以降低充放電過程中的極化滯后性而顯著提高儲能效率。同時，相變電流的降低使得反鐵電材料具有更高的擊穿場強。

【成果簡介】

近日，合肥工業大學左如忠教授科研團隊和澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授合作，成功制備出具有正交Pnma對稱性、納米電疇形貌的鈮酸鈉（NaNbO₃，NN）基無鉛弛豫反鐵電固溶體陶瓷材料，其同時具有高反鐵電-鐵電相變電場和高擊穿電場從而能夠獲得放電儲能密度值W~12.2 J/cm³，實現了介質陶瓷放電儲能性能的新突破。該團隊進一步通過原位電場同步輻射研究了納米反鐵電電疇在電場下的演變過程從而揭示了弛豫反鐵電陶瓷能夠實現高儲能特性的結構機理，為設計高儲能性能的陶瓷材料提供理論指導。該研究工作近期以題為“Ultrahigh energy storage density in NaNbO₃-based lead-free relaxor antiferroelectric ceramics with nanoscale domains”發表在Adv. Funct. Mater.（1903877,?2019）上，論文的第一作者為祁核博士。

【圖文導讀】

圖一：弛豫反鐵電體獲得優異儲能性能的機理示意圖

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圖二：0.76NN-0.24BNT陶瓷的儲能性能

圖三：0.76NN-0.24BNT陶瓷高擊穿場強及其機理

圖四：0.76NN-0.24BNT弛豫反鐵電陶瓷室溫電疇結構、選區衍射和高分辨TEM

圖五：0.76NN-0.24BNT弛豫反鐵電陶瓷電場下相結構演變

【小結】

該研究團隊采用傳統固相合成技術，在具有高禁帶寬度的鈮酸鈉反鐵電基體的基礎上，通過(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃（BNT）部分取代NN，引入局域隨機場來調控反鐵電陶瓷的電疇尺寸，從而在室溫下獲得了具有納米尺度電疇（~30-50 nm）的弛豫反鐵電陶瓷。通過原位電場同步輻射研究發現大的局域隨機電場能夠明顯抑制反鐵電納米電疇在電場下的長大過程以及其后的反鐵電-鐵電的相變過程，使得該材料能夠在高達36 kV/mm電場以下具有幾乎無滯后的類線性極化響應；而只在電場>36 kV/mm的第二階段才會表現出反鐵電-鐵電相變以及低滯后的電疇取向。研究表明，同時具備了高的相變驅動電場和高的擊穿場強是NN基弛豫反鐵電陶瓷具有優異儲能性能的重要物理基礎。另外，該體系材料的儲能密度（>7.4 J/cm³）和儲能效率（>73%）在25-200 ^oC范圍內保持良好的穩定性。這些優異的儲能性能使得NN基無鉛弛豫反鐵電陶瓷在脈沖功率系統中具有巨大的應用潛力。

這一研究工作是左如忠教授團隊繼近期發表在J. Mater. Chem. A, 7, 3971-3978 (2019)（https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c8ta12232f）上有關BNT基無鉛弛豫反鐵電儲能介質陶瓷材料之后的又一代表性的研究成果。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201903877?

http://ceramics.hfut.edu.cn/2018/1221/c5063a203536/page.htm

本文由合肥工業大學左如忠教授科研團隊供稿。

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