西安交大科研人员实现超低能量损耗无铅高温介质陶瓷电容器

世界经济的快速发展总是伴随着人类社会对能源需求的不断增加，因此高效储能技术受到学术界和商业界广泛关注。储能陶瓷电容器作为脉冲电力电子应用的核心部件，其发展具有重要意义。与目前可用的其它电能存储设备（电池、燃料电池和超级电容器）相比，其优点包括快速充电/放电的能力，更高的功率密度和更长的寿命等，这对于先进电力电子设备向小型化和集成化的发展具有决定性意义。然而，能量密度小和/或能量效率低以及温度不稳定性是促进介电陶瓷电容器实际应用的主要阻碍。

图1.BMT15-RRP陶瓷中多态PNRs共存的异质结构

根据介质电容储能的公式和基本原理，高性能电容器应具有高击穿Eb、大的最大极化强度（Pmax）与剩余极化强度（Pr）差值（Pmax-Pr）、极化饱和缓慢和温度不敏感等特点。弛豫铁电材料RFEs被认为是极具优化潜力的候选材料，因其纳米畴发生极化转换所需的能量势垒低，而铁电体FEs的微米级畴具有强互耦作用。目前公认的增强弛豫行为的方法是通过在FEs中引入顺电或线性端元以诱导无序结构或纳米畴，比如BT-BaZrO3和BF-SrTiO3等。类似地，通过将顺电组元SrTiO3（ST）或Sr2+引入到室温下呈R相的BNT陶瓷的A位点，可以在BNT-ST弛豫体系中实现菱方（R3c,R）和四方（P4bm,T）相纳米畴的共存结构。值得注意的是，在这种多态纳米畴结构中，极化各向异性和能量势垒明显受损，导致极化在电场下的转换比单相纳米畴更加平顺。然而，一些初步工作发现，过量引入Sr2+会导致较大的Pmax损失而限制储能性能的优化。因此，协调多态纳米畴的比例以增大Pmax-Pr值和优化制备工艺以提高击穿场强为此项工作的研究重点。

图2.BMT15-RRP陶瓷在不同测试条件下（电场、温度、频率和循环次数）的储能特性

针对这一问题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队通过在(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3（BNST）弛豫铁电陶瓷中引入Bi(Mg1/3Ta2/3)O3（BMT）端元，设计出一种R相和T相极性纳米微区（PNRs）嵌入C相顺电基体的异质结构，如图一所示。通过组分调制优化R相和T相纳米畴的比例，实现畴的最平顺切换路径，在保持最大极化的同时最小化极化滞后。结果表明，随着弛豫体系化学复杂度的增加，极化无序程度加剧，诱导的多态PNRs极大地优化储能性能的同时也可以实现优越的温度不敏感性。此外，由于组织结构均匀致密，平均晶粒尺寸呈指数级降低，反复轧膜工艺（RRP）增强了击穿场强Eb这一关键参数，使得该体系同时保持了与铅基陶瓷相当的超高Wrec值10.28 J·cm-3和η值（97.11%），优于目前报道的其它无铅体系，特别是其能量损耗极低。此外，该陶瓷在宽温范围（25-200 ℃）内具有较高的性能和稳定性（Wrec~6.35±9% J·cm-3，η~94.8%±3%），如图二所示。这些结果表明，这种多组元设计可以被认为是开发下一代高性能储能应用RFEs的可行范例，并可能引起研究人员对其它领域材料设计的普遍兴趣。

该研究成果以“一种近零能量损耗的无铅高温陶瓷电容器”（A High-Temperature Performing and Near-Zero Energy Loss Lead-Free Ceramic Capacitor）为题，在国际知名期刊《能源环境科学》《Energy & Environmental Science》（IF=32.5）在线发表。该工作以西安交通大学为唯一通讯单位，电信学部电子学院博士生李达为第一作者，电子学院周迪教授、电子学院徐谛明助理教授和前沿院王栋教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、陕西省国际合作项目等项目的资助，西安交通大学国际介电研究中心提供了大量测试表征支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3EE01545A

周迪教授团队主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220