JMCA综述：储能用无铅反铁电AgNbO3和NaNbO3材料
成果简介
反铁电材料因其优异的介电储能特性近来备受关注，虽然人们能在熟知的反铁电氧化物锆酸铅体系中获得高储能密度，但近年来，随着环境保护意识的日益增强，研发高性能无铅反铁电氧化物材料成为前沿方向。
清华大学李敬锋教授课题组围绕铌酸盐基无铅铁电与反铁电陶瓷方向持续多年开展了系列创新研究，近年来在AgNbO3基反铁电陶瓷的铁电与反铁电相变及储能特性研究方面取得重要进展。应JMCA主编邀请，该课题组近期在《Journal of Materials Chemistry A》上发表题为“Lead-free antiferroelectric niobates AgNbO3 and NaNbO3 for energy storage applications”综述，梳理了铌酸盐基反铁电钙钛矿化合物的研究进展。为了全面了解反铁电性，该文还回顾了反铁电性的早期发现、定义、基本原理、晶体结构的特殊性以及宏观电学性质。从晶体结构、相变到化学改性以及介电储能的应用前景等角度对两种重要的无铅铌酸盐化合物AgNbO3和NaNbO3进行了讨论与展望。
图文导图
I．反铁电性的基本定义及储能原理
反铁电体与铁电体相反，通常由两个极化方向相反的子晶格组成，其重要基本特征是双电滞回线（图1(a)），其中绿色区域为可回复储能密度。与铁电体和线性电介质相比，反铁电体具有独特的AFE-FE相变，产生了较大的最大极化和较小的剩余极化，因此存在更大的储能优势。本文首先总结了反铁电钙钛矿结构特征和决定其结构稳定性的几何因素及铁电抑制现象的机制。
图1电滞回线：(a)反铁电体、(b)铁电体和(c)线性电介质。
II． AgNbO3结构与储能性能
基于结构与相变，首先梳理了AgNbO3相变过程（图2），讨论了反铁电性存在的空间群及可能存在的弱铁电性。反铁电相稳定性的增强有利于提升储能性能，烧结助剂及稀土元素掺杂能有效地提高AgNbO3的反铁电相稳定性以获取高的有效储能（图3）。
图2 AgNbO3陶瓷的介温谱。
图3 (a-b)AgNbO3陶瓷的电滞回线和场致应变；(c-f) 5种陶瓷的电滞回线：Mn掺杂AgNbO3、Bi掺杂AgNbO3、AgNbO3和Ag(Nb0.85Ta0.15)O3、La掺杂AgNbO3。
III．NaNbO3结构与储能性能
NaNbO3较AgNbO3在原料成本和制备工艺控制方面更具优势，但是其晶体结构更加复杂，相变更多（见图4），特别是非掺杂NaNbO3的反铁电性实验证据相比AgNbO3不够充分。为此，本文系统围绕NaNbO3的晶体结构与相变展开了比较详细的讨论，并基于掺杂改性研究的近期文献，总结并提出了NaNbO3的掺杂策略（图5），以及通过类弛豫行为提升NaNbO3储能性能的研究方向（图6）。
图4 (a)NaNbO3的相变顺序；(b)采用不同方法表征的NaNbO3相结构；(c)NaNbO3陶瓷的介温谱。
图5 与AgNbO3和NaNbO3形成稳定化合物的元素离子半径和电负性，及其最可能的价态和配位数。
图6 (a)通过诱导类弛豫行为提高储能密度和效率的示意图；(b)0.76NN-0.24BNT陶瓷的电滞回线和68kv mm−1下的J-E曲线。
文献信息
Dong Yang, Jing Gao, Liang Shu, Yi-Xuan Liu, Jingru Yu, Yuanyuan Zhang, Xuping Wang, Bo-Ping Zhang and Jing-Feng Li, Lead-free antiferroelectric niobates AgNbO3 and NaNbO3 for energy storage applications, Journal of Materials Chemistry A, https://doi.org/10.1039/D0TA08345C
作者简介
该综述由清华大学、北京科技大学、山东科学院新材料所合作完成，清华大学材料学院博士后杨栋和博士生高静为该文的共同第一作者，通讯作者为李敬锋教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D0TA08345C
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编 辑 | 电介质小助手
审 核 | 电介质小助手
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