一、反鐵【導(dǎo)讀】

電介質(zhì)電容器具有結(jié)構(gòu)簡單、電陶工作電壓大（通常超過數(shù)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(yōu)點(diǎn)，協(xié)同在高功率系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)中有著重要的優(yōu)化作用。反鐵電材料（antiferroelectrics，反鐵AFE）作為一種電介質(zhì)材料，電陶由于具有獨(dú)特的瓷儲材料雙電滯回線使得其在儲能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。

在眾多反鐵電材料中，性能的牛AgNbO₃具有極化強(qiáng)度大、協(xié)同無易揮發(fā)堿金屬元素、優(yōu)化無鉛環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，反鐵在反鐵電儲能陶瓷領(lǐng)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(qiáng)度低、存在剩余極化等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其儲能密度和效率不高。已有研究表明，通過對AgNbO₃進(jìn)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(xué)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(xié)同設(shè)計(jì)對AgNbO₃陶瓷儲能性能進(jìn)行了調(diào)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(qiáng)度高；在納觀尺度上，在A位摻雜Bi³⁺和Sr²⁺的基礎(chǔ)上，在B位采用Ta⁵⁺部分取代Nb⁵⁺，減小容差因子和極化率，增強(qiáng)反鐵電性；除此之外，還引入變價(jià)元素Mn來降低漏電流密度，實(shí)現(xiàn)儲能性能的協(xié)同優(yōu)化。

二、【成果掠影】

通過多尺度協(xié)同設(shè)計(jì)制備的AgNbO₃陶瓷，在(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷中實(shí)現(xiàn)了729 kV/cm的高介電擊穿強(qiáng)度E_b，8.5 J/cm³的高可恢復(fù)儲能密度W_rec和75.6%的良好儲能效率η。同時(shí)，Ta⁵⁺的引入優(yōu)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(fā)表于歐洲陶瓷學(xué)會雜志（Journal of the European Ceramic Society）上，南京工業(yè)大學(xué)胡秀蘭教授、南京航空航天大學(xué)王婧教授和南京理工大學(xué)張?bào)K教授為共同通訊作者，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生王絡(luò)為第一作者。

三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

（1）多尺度協(xié)同優(yōu)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(yōu)良的儲能性能。特別是在140 ℃條件下，儲能效率達(dá)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(shù)據(jù)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(shù)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(dǎo)率和（d）介電擊穿強(qiáng)度E_b、導(dǎo)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(qiáng)度P_max，剩余極化強(qiáng)度P_r，?P；（c）可恢復(fù)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(bào)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(nèi)的溫度穩(wěn)定性和（b）對應(yīng)W_rec與η的變化；（c）1 Hz-200 Hz范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性和（d）對應(yīng)W_rec與η的變化；（e）1-10⁵次的循環(huán)穩(wěn)定性和（f）對應(yīng)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(yōu)的儲能性能，應(yīng)綜合考慮極化強(qiáng)度（提高飽和極化強(qiáng)度P_max或降低剩余極化強(qiáng)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(qiáng)度（提高燒結(jié)質(zhì)量，減小晶粒尺寸）等因素，利用多尺度，多手段的協(xié)同作用，提高儲能密度和效率。同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注并改進(jìn)實(shí)際應(yīng)用中陶瓷的性能表現(xiàn)。

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

本文由作者供稿