桂林理工大学在无铅电介质储能研究领域取得系列进展

电介质电容器因其超高的功率密度和超快速充放电速率等优点，在电力电子、新能源汽车、以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。小型化和轻量化是该类电容器的发展方向。无铅弛豫和反铁电陶瓷是一类环保且性能优异的电介质储能材料。①如何快速有效寻找最优组分，精准优化最优组分烧结工艺；②如何协同调控△P和E_b；③如何构建结构-性能之间的关系等是目前亟须解决的三大主要问题。

近日，针对上述第一个问题，桂林理工大学周焕福教授课题组提出一种通过协同调控T_m至室温附近(高极化强度)和增强体系弛豫特性，直观简便的在0.85BT-0.15BMS体系获取了优异的储能特性(W_rec＞3 J/cm³, h＞90%)。由于外部因素影响，有时弥散度γ并不是表征弛豫行为的良好指标，例如组分均匀性。这里使用ΔT_relaxor=T_εm(1kHz)−T_εm(200kHz)表征体系的弛豫行为。其设计思路如下图所示。该论文“Effective strategy to realise excellent energy storage performances in lead-free barium titanate-based relaxor ferroelectric”发表在《Ceramics International》上。

铌酸钠[NaNbO₃(NN)]作为一类代表性的电介质储能材料，由于其高介电常数(高极化强度)、宽带隙(大击穿电场)、无挥发性K元素(易于制备)和低体积密度(便于小型化)而被认为是最具商业应用潜力的材料。通常，纯NN陶瓷在室温下被认为是一种反铁电材料。然而，由于自由能的微小差异，其亚稳态铁相(P2₁ma)和AFE相(Pbma)在室温下可以共存。在场诱导下的铁电相在去除电场后仍可以保留(相变过程不可逆)，表现出典型的铁电P-E环。为了降低室温铁电相，构建弛豫特性、稳定反铁电相和两种协同作用等方法相继被提出。

该课题组首先通过引入Bi(Ni_2/3Nb_1/3)O₃,构建弛豫策略，显著性的改善了NN陶瓷的储能特性(W_rec＞3 J/cm³, h＞80%)，其设计思路如下图所示。该论文“High energy storage and ultrafast discharge in NaNbO₃-based lead-free dielectric capacitors via a relaxor strategy”发表在《Ceramics International》上。

随后，基于Clive A. Randall教授团队的研究，通过引入Bi(Ni_0.5Sn_0.5)O₃, 降低体系容忍因子，稳定NN陶瓷室温反铁电相，从而进一步改善NN储能特性。最终在0.90NN-0.10Bi(Ni_0.5Sn_0.5)O₃组分下同时实现了高的W_rec(5.0 J/cm³)、大的脉冲功率密度(100.5 MW/cm³)和一个超短的放电时间(46.5 ns)。其设计思路如下图所示。该论文“Ultrahigh  energy storage density and power density achieved  simultaneously  in NaNbO₃-based lead-free ceramics via antiferroelectricity enhancement”发表在《Journal of Materiomics》上。

针对第二、三个问题，该课题组以BaTiO₃-BiMO₃体系为例，通过引入Ca²⁺和Bi_0.5Na_0.5TiO₃，协同调控BaTiO₃基弛豫铁电体的T_m至室温附近和降低晶粒尺寸。最终在优化后的组分下同时实现了一个高的△P和E_b。并通过HR-TEM、SAED和Rietveld精修证实其局域四方相的存在。其高极化强度和击穿强度的来源可能归因于[TiO₆]晶格畸变程度的增加和降低的晶粒尺寸导致的绝缘特性增强引起。其设计思路如下图所示。该论文“Simultaneous enhancement of polarization and breakdown strength in lead-free BaTiO₃-based ceramics”发表在《Chemical Engineering Journal》上。

以上系列论文第一作者为硕士生董小燕，共同通讯作者为周焕福教授和陈秀丽教授。

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