合肥工業大學左如忠教授團隊JMCA: 報道一種新型的類線性無鉛弛豫反鐵電陶瓷-在獲得極高儲能密度的同時，成功突破儲能密度和效率相互制約的技術瓶頸

【引言】

關于儲能介質陶瓷材料的研究，目前主要集中在線性介電陶瓷、正常鐵電陶瓷、弛豫鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷四大類。其中，正常鐵電體由于高剩余極化而具有較低的儲能密度和效率；線性介電陶瓷往往具有低介電常數而導致儲能密度較低；弛豫鐵電陶瓷儲能密度受制于較低的擊穿場強；反鐵電陶瓷則由于可逆相變過程的滯后性而使得儲能效率較低且疲勞特性差。因此，在這些陶瓷介質材料中獲得的儲能密度和儲能效率之間往往存在嚴重制約，無法同時獲得優值。

【成果簡介】

近日，合肥工業大學左如忠教授和祁核博士通過組成調制增強反鐵電材料的介電弛豫行為，借助引入局域隨機場來提高反鐵電-鐵電相變的驅動電場，制備了一種具有較高介電常數、類線性極化響應的(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xNaNbO₃（BNT-NN）無鉛弛豫反鐵電陶瓷材料，在獲得優異儲能效率η~85%的同時，成功地在塊體陶瓷材料中實現迄今文獻報道最高的放電儲能密度值W~7.02 J/cm³，突破了W和η往往嚴重制約的技術瓶頸，并在J. Mater. Chem. A上發表了題為“Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-NaNbO₃?with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency”的研究論文。作者通過高分辨TEM、變溫Raman光譜和XRD結構精修等技術手段證實了優異的儲能特性主要源于體系具有高活性極性納米微區的反鐵電相結構。另外，該體系材料的儲能密度（>3.5 J/cm³）和儲能效率（>88%）在25-250 ^oC、0.1-100Hz范圍內保持良好的穩定性。這些優異的儲能性能使得BNT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。

【圖文導讀】

圖1?各種介電陶瓷儲能特性示意圖

a：純線性非極性電介質、弛豫鐵電體和正常反鐵電體陶瓷的電滯回線；

b：弛豫反鐵電陶瓷的電滯回線

圖2 (1-x)BNT-xNN陶瓷的介電、鐵電和儲能性能

a：(1-x)BNT-xNN陶瓷的介電溫譜；

b：(1-x)BNT-xNN二元系統相圖；

c：(1-x)BNT-xNN陶瓷的電滯回線；

d：P_max、P_r和ΔP隨NN含量的變化；

e：W和h隨NN含量的變化；

f：室溫介電常數e_r和T_±10%隨NN含量的變化；T_±10%表示介電常數波動小于其室溫值±10%的上限溫度

圖3 室溫下BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷的儲能性能

a：不同電場幅值下的電滯回線；

b：不同電場幅值下的電流密度曲線；

c：W和η值隨電場的變化；

d：目前報道的塊體陶瓷的W和η值間對比圖

圖4?BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷的鐵電、介電和儲能性能隨溫度和頻率的變化

a：不同溫度下的電滯回線；

b：不同頻率下的電滯回線；

c：不同溫度和頻率下的W值；

d：不同頻率下的介電溫譜；

e：幾種典型塊體陶瓷材料的W和η值的溫度穩定性對比

圖5?BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷室溫下的微觀結構和不同溫度下的相結構

?

a：0.78BNT-0.22NN陶瓷的晶粒形貌；

b：BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷的晶粒形貌；

c：BNT陶瓷室溫下的明場TEM圖和對應的SAED花樣；

d-h：BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷室溫下的明場TEM圖、SAED花樣和高分辨原子相；

i-l：BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷在不同溫度下全譜XRD的Rietveld精修結果；

m：BCB摻雜的0.78BNT-0.22NN陶瓷在不同溫度下的Raman光譜。

【小結】

綜上所述，作者在BNT陶瓷材料中通過NN取代，將高溫的P4bm四方弛豫反鐵電相調控至室溫附近。由于存在大的局域隨機場，反鐵電極性納米微區能夠在非常高的外部電場下仍然呈現出溫度和電場不敏感的類線性極化響應。組成0.78BNT-0.22NN陶瓷在室溫下同時獲得巨大儲能密度和優異儲能效率，并且該材料的高儲能性能在超寬的溫度和頻率范圍內保持優異的穩定性。這些結果表明，BNT基無鉛弛豫反鐵電陶瓷將有望應用于未來脈沖功率電容器中。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c8ta12232f

He Qi, Ruzhong Zuo*, Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-NaNbO₃?with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978.

本文由合肥工業大學左如忠教授和祁核博士團隊供稿，材料人編輯部編輯

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