西北大學崔斌Chem. Eng. J.：基于芯-殼結構構建的鈦酸鉍鈉基寬溫儲能陶瓷材料的界面與缺陷調控研究

由于電介質復合陶瓷電容器具有快速的充放電速度和超高的功率密度，在超高功率電子系統中表現出巨大的應用潛力。然而在嚴酷的應用環境中，不僅需要優越的能量存儲性質，其適用的溫度使用范圍也有待擴展。鑒于不同材料間明顯的電學性能不匹配性，在兩相界面處出現麥克斯韋界面極化且電場畸變加劇，這將惡化儲能性能的溫度穩定性發展。因此，電介質復合材料的寬溫儲能性能研究正受到廣泛關注。

近日，西北大學崔斌教授課題組在Chemical Engineering Journal上發表了題為“Interface and defect modulation via a core-shell design in (Na_0.5Bi_0.5TiO₃@La₂O₃)-(SrSn_0.2Ti_0.8O₃@La₂O₃)-Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂ composite ceramics for wide-temperature energy storage capacitors”的論文。通過設計芯-殼結構實現對界面和缺陷的雙重控制，以期提高陶瓷復合材料的寬溫儲能應用。該策略也有望成為提高復合材料儲能性能的通用方法。

圖1 NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS復合儲能陶瓷的設計思路圖（MWS polarization：麥克斯韋界面極化；wide T：較寬的應用溫度）

如圖1所示，首先，引入鐵電相NBT和順電相SrSn_0.2Ti_0.8O₃（SST）以誘導較好的弛豫性，然后分別在其表面包覆界面緩沖層La₂O₃以構建具有芯-殼結構NBT@La₂O₃和SST@La₂O₃粉體，最后與BBS玻璃相復合制備NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS儲能復合陶瓷材料。其中，以芯-殼結構引入的La₂O₃起到了調節界面和缺陷的雙重作用。其一，具有高E_g ~5.5 eV的La₂O₃包覆層可用作界面緩沖層，以減輕晶界處的界面極化，從而提高?和溫度穩定性；其二，通過芯-殼結構的界面梯度擴散，并且部分La₂O₃可以摻雜到陶瓷相晶格中，從而實現對材料內部缺陷的調控。

圖2 包覆0 mol%和1.0 mol%La₂O₃的NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS復合陶瓷的EPR譜（a），XPS全譜（b），O 1s精細譜（c₁-c₂），Ti 2p精細譜（d₁-d₂）

圖3 不同La₂O₃包覆量的NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS復合陶瓷的介溫譜 (a-e) ，與不同NBT基陶瓷的介電溫度穩定性的條形對比圖(f)

圖4 NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS復合陶瓷材料的P-E曲線（a），150 kV/cm下漏電流密度與電場（J-E）曲線（b），不同溫度下包覆1.0 mol% La₂O₃的樣品的P-E曲線（c），P和E_c的變化曲線（d）, 能量密度和效率的變化（e），在不同溫度下P、E_c、W 和η的變化（f）和HR-TEM圖（g）

與其他樣品相比，包覆1.0 mol%La₂O₃的樣品可以同時實現更高的綜合儲能性能，具有高η~82.1%，高BDS~275 kV/cm和中等W_rec~2.25 J/cm³。在20~150 ℃的超寬工作溫度范圍內，該樣品的W_rec變化率在±10%以內，具有優異的儲能熱穩定性。因此有望在超寬溫度環境中得到實際應用。

該論文由西北大學的崔斌教授指導完成，第一作者為化學與材料科學學院博士研究生張小婷，通訊作者為崔斌教授。論文第一作者及通訊聯系人所在單位為西北大學合成與天然功能分子教育部重點實驗室，陜西省物理無機化學重點實驗室和西北大學化學與材料科學學院。論文工作得到了國家自然科學基金（21071115）、陜西省自然科學基金研究項目（2020JZ-44和2021JZ-44）和陜西省重點科技創新團隊項目（2019TD-007）支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135061.