随着電子信息技術的迅速發展以及人們環保意識的不斷增強，環保型儲能材料與器件成為當前功能材料領域的研究熱點之一。由于陶瓷電介質電容器具有充放電速度快、功率密度高、使用壽命長、工作溫度範圍寬等優異的特點，在高功率脈沖體系中擁有廣闊的應用前景。然而目前無鉛儲能陶瓷電容器的儲能密度和儲能效率普遍偏低，其最大的可釋放儲能密度（Wrec）和儲能效率（η）分别低于3 J/cm3和80%。基于钛酸铋鈉（BNT）陶瓷具有較高的最大極化強度（或飽和極化強度），翟繼衛教授課題組通過長期在BNT基鐵電陶瓷方面的不斷探索和積累，近期在BNT基無鉛儲能陶瓷電介質領域取得系列重要的研究成果，促使BNT基無鉛儲能陶瓷介質的儲能密度和儲能效率同時得到大幅度的提升。
該課題組以Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3無鉛鈣钛礦陶瓷體系為研究對象，利用A位缺陷工程減少BNT基陶瓷的氧空位，抑制其晶粒生長。該方法不僅能夠改善Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3陶瓷體系介電常數的溫度穩定性，還能顯著地提高擊穿電場強度、儲能密度和儲能效率，在最大電場強度為535 kV/cm時，可釋放的儲能密度可以達到5.63 J/cm3，相應的儲能效率可以維持在~94%（圖1）。該研究成果以“Significantly enhanced energy storage density and efficiency of BNT-based perovskite ceramics via A-site defect engineering”為題發表在新能源與材料科學領域類頂級期刊Energy Storage Materials上。論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.05.026
圖1. 通過A位缺陷工程實現BNT基鈣钛礦陶瓷優異的能量存儲性能
與此同時，該課題組通過組成設計策略對環境友好型的BNT基鐵電體陶瓷的介電、鐵電和能量存儲性能進行研究，通過誘導出電場響應速度快的極性納米微區（PNRs）來降低剩餘極化強度，并且将晶粒尺寸減小到亞微米級來提高擊穿電場強度，利用兩者之間的協同作用實現優異的能量存儲性能（圖2）。作者選用Sr(Nb0.5Al0.5)O3（SNA）對BNT陶瓷進行組成調控，得到化學組成為(1-x)BNT-xSNA的陶瓷體系。通過調整SNA的含量能夠顯著地減小BNT基陶瓷的疇尺寸，誘導出小尺寸的PNRs，使得能量存儲性能得到大幅度的提高，并且在不同電場強度下的P-E曲線始終保持細長的形狀。當電場強度從40 kV/cm增加到520 kV/cm，其可釋放的儲能密度能夠從0.12 J/cm3快速增加到6.64 J/cm3，并且儲能效率始終維持在94%以上。在1-100 Hz的測試頻率範圍和30-150°C的溫度範圍内，儲能性能擁有優異的穩定性。該研究成果以“Superior energy storage properties and excellent stability achieved in environment-friendly ferroelectrics via composition design strategy”為題發表在國際能源頂級期刊Nano Energy上。論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105012
圖2. 通過誘導PNRs降低剩餘極化強度與減小晶粒尺寸提高擊穿電場強度獲得優異儲能性能
此外，該課題組利用層狀複合材料能夠實現多種材料多種優異性能于一體的特點，通過宏觀結構設計策略，制備出具有三明治結構的BNT基無鉛陶瓷材料，解決極化強度和擊穿電場強度之間的矛盾關系，進而實現優異的能量存儲性能（圖3）。通過三明治結構的設計，進一步将BNT基無鉛陶瓷的可釋放的儲能密度提高到6.78 J/cm3，并且能夠維持89.7%的儲能效率。同時，得到的具有三明治結構的BNT基陶瓷的儲能性能在較寬的頻率和溫度範圍内能夠維持良好的穩定性。在300 kV/cm電場強度下，可釋放的儲能密度在1-100 Hz的測試頻率範圍和30-120 °C的溫度範圍内的變化率能夠保持在±3%以内，相應的儲能效率可以達到86%以上。該研究成果以“Realizing superior energy storage properties in lead-free ceramics via macro-structure design strategy”為題發表在材料、能源領域著名期刊Journal of Materials Chemistry A上。論文鍊接：https://doi.org/10.1039/D0TA03526B
圖3. 利用層狀結構的設計理念協同優化擊穿電場強度和最大極化強度，實現優異的能量存儲性能
綜上所述，作者在此通過A位缺陷工程、組成設計策略和宏觀三明治結構調控策略對環境友好型的BNT基無鉛鐵電體陶瓷的能量存儲性能進行詳細的研究，使得無鉛陶瓷的儲能密度和儲能效率得到大幅度的提升，為後續無鉛儲能陶瓷介質的研究工作具有重要的借鑒和指導作用。
以上系列研究工作的第一作者為伟德网站是多少材料學院在讀博士研究生闫非，通訊作者為伟德网站是多少材料學院翟繼衛教授。課題組主頁：jwzhailab.tongji.edu.cn
