【亮点】同济大学翟继卫课题组Nano Energy：通过组成设计策略获得能量存储性能和稳定性优异的环境友好型铁电体

单位：同济大学

随着电子信息技术的快速发展以及不可再生能源的不断消耗，能源危机和环境污染问题日益严峻，寻找和开发具有性能优异、环境友好、符合可持续发展的能量存储器件已经成为当前的研究热点之一。陶瓷电介质电容器因其稳定性好、充放电速度快、功率密度高等特点，在脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。然而无铅陶瓷电容器的储能密度小（＜3 J cm-3）、储能密度低（＜80%），难以满足实际应用的需求。

近年来，为了推动脉冲功率系统的快速发展，研究人员通过掺杂改性、化学包覆以及采用先进的放电等离子体烧结技术等方法对无铅储能陶瓷电容器介质材料的储能性能进行优化。但是由于极化强度和击穿电场强度的矛盾关系，使得储能密度和储能效率等储能性能难以被同时提高。因此，在提高储能密度的同时，提高储能效率也十分重要。

近日，同济大学翟继卫教授课题组在国际顶级期刊Nano Energy（2018影响因子：15.548）上发表题为“Superior energy storage properties and excellent stability achieved in environment-friendly ferroelectrics via composition design strategy”的研究工作。该工作通过组成设计策略对环境友好型的钛酸铋钠基铁电体进行研究，诱导出电场响应速度快的极性纳米微区（PNRs）来降低剩余极化强度，将晶粒尺寸减小到亚微米级来提高击穿电场强度，最终获得了优异的储能性能。该文章第一作者为博士研究生闫非，翟继卫教授为通讯作者。

图1. 通过诱导PNRs降低剩余极化强度与减小晶粒尺寸提高击穿电场强度获得优异储能性能的示意图

图2. 制备工艺流程、显微结构、相结构与拉曼光谱。（a）（1-x）BNT-xSNA陶瓷制备工艺流程；（b）-（d）（1-x）BNT-xSNA陶瓷的截面SEM照片；（e）-（l）0.80BNT-0.20SNA陶瓷的截面照片与元素分布；（m）-（n）（1-x）BNT-xSNA陶瓷的XRD图谱；（o）（1-x）BNT-xSNA陶瓷的拉曼光谱。

作者进一步对0.80BNT-0.20SNA陶瓷截面的元素分布情况进行分析发现（图2e-l），该陶瓷能够表现出较高的化学均匀性。在图2l-m中，制备出的（1-x）BNT-xSNA陶瓷具有典型的钙钛矿结构。进一步通过拉曼光谱进行分析可以发现，（1-x）BNT-xSNA陶瓷在100-1000 cm−1范围内的拉曼谱比较宽化和弥散，这主要与Bi/Na/Sr随机占据钙钛矿结构的A位与Ti/Nb/Al随机占据钙钛矿结构的B位引起的阳离子无序有关。

图4. 能量存储性能与畴结构表征。（a）临界电场强度下的可利用储能密度（Wrec）与储能效率（η）随组分变化曲线；（b）0.95BNT-0.05SNA陶瓷和（d）0.80BNT- 0.20SNA陶瓷的明场TEM图像；（c）95BNT-0.05SNA陶瓷和（e）0.80BNT- 0.20SNA陶瓷的暗场TEM图像；（f）0.80BNT-0.20SNA陶瓷在不同电场强度下电滞回线及I-E曲线；（g）0.80BNT-0.20SNA陶瓷在不同电场强度下的Wtot、Wrec、Wloss及η；（h）目前报道的无铅陶瓷电介质储能特性对比图；（i）0.80BNT-0.20SNA陶瓷在不同电场强度下的欠阻尼脉冲放电电流-时间曲线以及电流密度和功率密度随电场强度变化曲线。

与此同时，0.80BNT-0.20SNA陶瓷在不同电场强度下的P-E曲线始终保持细长的形状，观察不到明显的滞后现象（图4f）。当电场强度从40 kV cm−1增加到520 kV cm−1，其Wrec能够从0.12 J cm−3快速增加到6.64 J cm−3，并且储能效率始终维持在94%以上（图4g）。相应地，电流密度和功率密度也随电场强度提高而快速增大，在300 kV cm−1电场强度下的电流密度和功率密度分别可以达到878.34 A cm−2和131.75 MW cm−3 。该实验对后续无铅储能陶瓷的发展具有重要的指导意义。

图5c，d显示了0.80BNT-0.20SNA陶瓷在30-150°C的电滞回线及其储能特性。在30-150°C的温度范围内，尽管最大极化强度随温度升高稍有降低，仍然能够保持细长的电滞回线形状，在测试温度范围内的Wrec的变化率小于±6%，储能效率高达92–96.2%（图5d）。相比于近期报道的无铅储能陶瓷，0.80BNT-0.20SNA陶瓷在较宽的温度范围内具有高的储能密度和电场强度（图5e，f）。

综上所述，作者在此通过组成设计策略对环境友好型的BNT基铁电体进行研究，诱导出电场响应速度快的极性纳米微区（PNRs）来降低剩余极化强度，将晶粒尺寸减小到亚微米级来提高击穿电场强度，最终获得了优异的储能性能。

文章链接:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105012

导师简介:

翟继卫教授主要研究方向：

（1）微波介质材料（包括LTCC材料）与器件

（2）铁电、压电材料（包含薄膜材料）与器件

（3）半导体合金薄膜材料与器件  

课题组主页：https://jwzhailab.tongji.edu.cn/

投稿请联系contact@scimaterials.cn