创新储能：缺陷工程陶瓷材料的潜力

来自 实验室仪器网

在最近发表于《先进陶瓷》杂志的一项研究中， 景德镇陶瓷大学沈宗阳教授领导的研究小组对储能电容器的介电材料进行了探索，通过缺陷工程相/畴结构竞争，揭示了异价稀土离子Sm 3+掺杂的弛豫铁电Ba 0.12 Na 0.3 Bi 0.3 Sr 0.28-1.5x □ 0.5x Sm x TiO 3 (简称Sm x -BNBST) 固溶体。

通过化学掺杂、分级结构设计、先进的烧结技术和缺陷结构工程的结合，在高质量的弛豫铁电BNT基陶瓷中实现了高放电密度。

然而，BNT基陶瓷的能源效率仍然较低，仅为60%至70%，这意味着存储的大量能量会损失，从而产生额外的焦耳热。低能源效率是一个关键但经常被忽视的问题，需要适当的解决方案。

Sm 0.07-BNBST陶瓷在相同电场下的表现优于其他已报道的介电材料，在114kV/cm的低电场下实现了91％的高能量效率和2.1J/cm3的可恢复能量密度。

在本研究中，提出四方相P4bm和伪立方相Pm3m之间的缺陷诱导相竞争不仅增强了极化切换能力，而且通过热演化提高了介电温度稳定性。更重要的是，在 114kV/cm的低电场下，Sm0.07 -BNBST陶瓷中实现了高达91%的能量效率，放电密度为2.1J/cm3 ，这与PFM测量显示的Pr降低密切相关。

研究兴趣包括高功率密度储能电容器的介电陶瓷，以及高居里温度的压电陶瓷。“畴尺寸减小决定了剩余极化强度（Pr），而四方相与伪立方相之间的竞争决定了最大极化强度（P max）。对于x=0的组成，随着电压的增加，它表现出明显的铁电性；而当电场撤去后，极化方向仍然保持，很难回到初始状态，对应较高的Pr。”沈宗阳教授补充道。

他补充道，“对于x=0.07的组成，铁电性明显减弱；当外加电压撤去后，极化方向可以很快回到初始状态，对应较低的Pr。Sm0.07-BNBST陶瓷中极化切换的快速响应表明其具有高活性的极性纳米区域（PNR），可产生较低的Pr和适中的P max，有助于提高能量密度和效率。 ”

随着Sm浓度的增加，Smx -BNBST陶瓷的PE环逐渐变细，P max和Pr都逐渐减小，表明Sm掺杂削弱了铁电性。当Sm等于0.07mol时，P max出现突然增加，这可能与四方/伪立方相竞争和畴尺寸减小的协同作用有关。

与纯BNBST陶瓷的一个介电峰<100℃相比，Sm x -BNBST陶瓷在~200℃附近表现出一个新的弱介电峰，这应该与BNT陶瓷中缺陷诱导的四方相和伪立方相之间的相竞争的热演化有关。随着Sm浓度的增加，介电峰逐渐变宽，相应的转变温度Tm1向低温方向移动，增强了介电温度稳定性。

沈宗阳教授最后表示：“在接下来的工作中，我们将进行设计研究并分析缺陷结构对BNT基陶瓷介电和铁电行为的影响。 ”他希望开发出在低电场下具有高放电密度和能量效率的BNT基陶瓷，随后将其构建成多层陶瓷电容器 (MLCC)，以帮助推动介电材料在实际应用方面的开发。

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