新型鈦酸鋇基弛豫鐵電體的儲(chǔ)能和充放電特性
幾種典型無(wú)鉛介質(zhì)材料體系的體積密度對(duì)比圖（左）和Na1-3xBixNbO3綜合儲(chǔ)能特性與文獻(xiàn)對(duì)比圖（右）
隨著不可再生能源的不斷消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)和利用高性能、環(huán)保型儲(chǔ)能材料成為當(dāng)前科技和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。介質(zhì)儲(chǔ)能電容器因其具有功率密度高、充放電速度快、穩(wěn)定性優(yōu)異和制造成本低等優(yōu)勢(shì)，在汽車電子、通信、航空、航天和尖端技術(shù)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董顯林團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了儲(chǔ)能電容器用新型無(wú)鉛介質(zhì)材料的研究工作，并取得系列研究成果。該團(tuán)隊(duì)以鈦酸鋇（BaTiO3）為基體，設(shè)計(jì)并合成了一種新型高性能BaTiO3基弛豫鐵電體（BaTiO3-Bi（Zn1/2Sn1/2）O3）儲(chǔ)能介質(zhì)材料。通過(guò)在BaTiO3基體中引入Bi（Zn1/2Sn1/2）O3，形成A位、B位離子無(wú)序，破壞了鐵電長(zhǎng)程有序，將鐵電疇轉(zhuǎn)化為極性納米微區(qū)。利用極性納米微區(qū)在外加電場(chǎng)下的快速響應(yīng)，顯著提高材料的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。該介質(zhì)材料不僅兼具高儲(chǔ)能密度（2.41 J/cm3）和高儲(chǔ)能效率（91.6%），而且其儲(chǔ)能特性還表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度（20~160℃）、頻率（1~1000Hz）和疲勞（105次循環(huán)）穩(wěn)定性，可滿足X8R電容器的要求。相關(guān)研究闡明了儲(chǔ)能特性的高穩(wěn)定性來(lái)源于極性納米微區(qū)的“弱耦合弛豫行為”。該工作以Hot Paper的形式發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C （J. Mater. Chem. C, 2018,6, 8528-8537）上。
小型化和輕量化一直是儲(chǔ)能電容器的重要發(fā)展趨勢(shì)。為此，該團(tuán)隊(duì)聚焦尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道的鈮酸鈉（NaNbO3）體系。NaNbO3的體積密度僅為4.55g/cm3，相比鐵酸鉍（8.37g/cm3）、鈦酸鋇（6.02g/cm3）、鈦酸鉍鈉（5.977g/cm3）等其它無(wú)鉛介質(zhì)材料體系，它在儲(chǔ)能電容器的輕量化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，電場(chǎng)誘導(dǎo)的亞穩(wěn)態(tài)鐵電性和堿金屬鈉元素?fù)]發(fā)導(dǎo)致的耐電強(qiáng)度低制約了NaNbO3在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)先后采用順電體調(diào)控和A位空位策略來(lái)增強(qiáng)NaNbO3的儲(chǔ)能特性，構(gòu)筑了兩種新型的NaNbO3基儲(chǔ)能介質(zhì)陶瓷材料：NaNbO3-SrTiO3和Na1-3xBixNbO3。這兩種NaNbO3基儲(chǔ)能介質(zhì)陶瓷材料均表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲(chǔ)能特性、充放電特性及穩(wěn)定性，其中Na1-3xBixNbO3的綜合儲(chǔ)能特性（儲(chǔ)能密度：4.03J/cm3、儲(chǔ)能效率：85.4%、功率密度：62.5 MW/cm3）為目前文獻(xiàn)報(bào)道的最優(yōu)值。該工作為NaNbO3材料開(kāi)辟了新的應(yīng)用方向，同時(shí)也為設(shè)計(jì)高儲(chǔ)能無(wú)鉛介質(zhì)材料提供了新的方法和思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A （J. Mater. Chem. A, 2018,6, 17896-17904）和ACS Sustainable Chemistry & Engineering （ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10, 12755-12765）上。
以上系列研究工作的論文第一作者是博士研究生周明星，論文共同通訊作者為研究員董顯林和梁瑞虹。
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