合肥工业大学左如忠教授团队JMCA: 报道一种新型的类线性无铅弛豫反铁电陶瓷-在获得极高储能密度的同时，成功突破储能密度和效率相互制约的技术瓶颈

【引言】

关于储能介质陶瓷材料的研究，目前主要集中在线性介电陶瓷、正常铁电陶瓷、弛豫铁电陶瓷和反铁电陶瓷四大类。其中，正常铁电体由于高剩余极化而具有较低的储能密度和效率；线性介电陶瓷往往具有低介电常数而导致储能密度较低；弛豫铁电陶瓷储能密度受制于较低的击穿场强；反铁电陶瓷则由于可逆相变过程的滞后性而使得储能效率较低且疲劳特性差。因此，在这些陶瓷介质材料中获得的储能密度和储能效率之间往往存在严重制约，无法同时获得优值。

【成果简介】

近日，合肥工业大学左如忠教授和祁核博士通过组成调制增强反铁电材料的介电弛豫行为，借助引入局域随机场来提高反铁电-铁电相变的驱动电场，制备了一种具有较高介电常数、类线性极化响应的(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xNaNbO₃（BNT-NN）无铅弛豫反铁电陶瓷材料，在获得优异储能效率η~85%的同时，成功地在块体陶瓷材料中实现迄今文献报道最高的放电储能密度值W~7.02 J/cm³，突破了W和η往往严重制约的技术瓶颈，并在J. Mater. Chem. A上发表了题为“Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-NaNbO₃ with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency”的研究论文。作者通过高分辨TEM、变温Raman光谱和XRD结构精修等技术手段证实了优异的储能特性主要源于体系具有高活性极性纳米微区的反铁电相结构。另外，该体系材料的储能密度（>3.5 J/cm³）和储能效率（>88%）在25-250 ^oC、0.1-100Hz范围内保持良好的稳定性。这些优异的储能性能使得BNT基无铅弛豫反铁电陶瓷在脉冲功率系统中具有巨大的应用潜力。

【图文导读】

图1 各种介电陶瓷储能特性示意图

a：纯线性非极性电介质、弛豫铁电体和正常反铁电体陶瓷的电滞回线；

b：弛豫反铁电陶瓷的电滞回线

图2 (1-x)BNT-xNN陶瓷的介电、铁电和储能性能

a：(1-x)BNT-xNN陶瓷的介电温谱；

b：(1-x)BNT-xNN二元系统相图；

c：(1-x)BNT-xNN陶瓷的电滞回线；

d：P_max、P_r和ΔP随NN含量的变化；

e：W和h随NN含量的变化；

f：室温介电常数e_r和T_±10%随NN含量的变化；T_±10%表示介电常数波动小于其室温值±10%的上限温度

图3 室温下BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷的储能性能

a：不同电场幅值下的电滞回线；

b：不同电场幅值下的电流密度曲线；

c：W和η值随电场的变化；

d：目前报道的块体陶瓷的W和η值间对比图

图4 BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷的铁电、介电和储能性能随温度和频率的变化

a：不同温度下的电滞回线；

b：不同频率下的电滞回线；

c：不同温度和频率下的W值；

d：不同频率下的介电温谱；

e：几种典型块体陶瓷材料的W和η值的温度稳定性对比

图5 BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷室温下的微观结构和不同温度下的相结构

a：0.78BNT-0.22NN陶瓷的晶粒形貌；

b：BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷的晶粒形貌；

c：BNT陶瓷室温下的明场TEM图和对应的SAED花样；

d-h：BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷室温下的明场TEM图、SAED花样和高分辨原子相；

i-l：BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷在不同温度下全谱XRD的Rietveld精修结果；

m：BCB掺杂的0.78BNT-0.22NN陶瓷在不同温度下的Raman光谱。

【小结】

综上所述，作者在BNT陶瓷材料中通过NN取代，将高温的P4bm四方弛豫反铁电相调控至室温附近。由于存在大的局域随机场，反铁电极性纳米微区能够在非常高的外部电场下仍然呈现出温度和电场不敏感的类线性极化响应。组成0.78BNT-0.22NN陶瓷在室温下同时获得巨大储能密度和优异储能效率，并且该材料的高储能性能在超宽的温度和频率范围内保持优异的稳定性。这些结果表明，BNT基无铅弛豫反铁电陶瓷将有望应用于未来脉冲功率电容器中。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c8ta12232f

He Qi, Ruzhong Zuo*, Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-NaNbO₃ with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978.

本文由合肥工业大学左如忠教授和祁核博士团队供稿，材料人编辑部编辑

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