一、反鐵【導讀】

電介質電容器具有結構簡單、電陶工作電壓大（通常超過數千伏特）、瓷儲材料功率密度高（可至兆瓦量級）、性能的牛充放電速度快（納秒量級）等優點，協同在高功率系統和脈沖系統中有著重要的優化作用。反鐵電材料（antiferroelectrics，反鐵AFE）作為一種電介質材料，電陶由于具有獨特的瓷儲材料雙電滯回線使得其在儲能領域具有很好的應用潛力。

在眾多反鐵電材料中，性能的牛AgNbO₃具有極化強度大、協同無易揮發堿金屬元素、優化無鉛環保等優點，反鐵在反鐵電儲能陶瓷領域占有重要地位。電陶但AgNbO₃陶瓷材料致密度低、瓷儲材料介電擊穿強度低、存在剩余極化等缺點，導致其儲能密度和效率不高。已有研究表明，通過對AgNbO₃進行成分改性（A/B位摻雜或組分固溶）能夠在一定程度上改善其儲能性能。然而這種單一的化學取代對于AgNbO₃陶瓷的儲能性能還存在很大的提升空間。

本文以(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)NbO₃為研究對象，通過多尺度協同設計對AgNbO₃陶瓷儲能性能進行了調控：在介觀尺度上，使用水熱法合成了具有顆粒小、活性高的AgNbO₃粉體，制備的陶瓷晶粒小，介電擊穿強度高；在納觀尺度上，在A位摻雜Bi³⁺和Sr²⁺的基礎上，在B位采用Ta⁵⁺部分取代Nb⁵⁺，減小容差因子和極化率，增強反鐵電性；除此之外，還引入變價元素Mn來降低漏電流密度，實現儲能性能的協同優化。

二、【成果掠影】

通過多尺度協同設計制備的AgNbO₃陶瓷，在(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷中實現了729 kV/cm的高介電擊穿強度E_b，8.5 J/cm³的高可恢復儲能密度W_rec和75.6%的良好儲能效率η。同時，Ta⁵⁺的引入優化了陶瓷高溫下的能量效率。該研究成果以“(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃ceramics with enhanced energy storage for high-temperature application via synergic optimization”為題發表于歐洲陶瓷學會雜志（Journal of the European Ceramic Society）上，南京工業大學胡秀蘭教授、南京航空航天大學王婧教授和南京理工大學張驥教授為共同通訊作者，南京工業大學材料科學與工程學院碩士研究生王絡為第一作者。

三、【核心創新點】

（1）多尺度協同優化提升AgNbO₃陶瓷儲能性能。

（2）Ta⁵⁺降低了M₃-O相變的溫度，從而在高溫下可以保持甚至提高其優良的儲能性能。特別是在140 ℃條件下，儲能效率達到83.5%，大大克服了(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)NbO₃陶瓷在高溫條件下的效率衰減問題，在AgNbO₃基儲能陶瓷中位于前列。

四、【數據概覽】

圖1? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a）XRD圖譜；（b）在46°附近的放大圖和（c）拉曼圖譜?

圖2 ?(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a-e）表面SEM圖像和（f）晶粒尺寸對比；（a）x=0.00；（b）x=0.07；（c）x=0.10；（d）x=0.15；（e）x=0.20??

圖3? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a-e）介電溫譜圖和（f）在1 kHz室溫下介電常數ε_r和介電損耗tanδ對比??

圖4? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a）韋伯分布；（b）540 ℃阻抗譜；（c）晶界電導率和（d）介電擊穿強度E_b、導電激活能E_a和晶粒尺寸對比。（b）中插圖為晶粒和晶界等效電路??

圖5? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷在近擊穿電場下的（a）單極P-E曲線；（b）反鐵電-鐵電相變電場E_F，鐵電-反鐵電相變電場E_A，?E，飽和極化強度P_max，剩余極化強度P_r，?P；（c）可恢復儲能密度W_rec與儲能效率η的變化和（d）(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷與近期報道的無鉛儲能陶瓷性能對比??

圖6? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷在370 kV/cm電場（50%E_b）下（a）20 ℃-140 ℃范圍內的溫度穩定性和（b）對應W_rec與η的變化；（c）1 Hz-200 Hz范圍內的頻率穩定性和（d）對應W_rec與η的變化；（e）1-10⁵次的循環穩定性和（f）對應W_rec與η的變化??

圖7? (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷的（a）不同電場下放電電流曲線和（b）不同電場下過阻尼放電測試? ?

五、【成果啟示】

為了在介電陶瓷中獲得更優的儲能性能，應綜合考慮極化強度（提高飽和極化強度P_max或降低剩余極化強度P_r）、相變電場（提高相變電場E_F和E_A）以及介電擊穿強度（提高燒結質量，減小晶粒尺寸）等因素，利用多尺度，多手段的協同作用，提高儲能密度和效率。同時，還應關注并改進實際應用中陶瓷的性能表現。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.12.036

本文由作者供稿