据中国激光杂志社网，于2023年09月19日报道，西安交通大学科研团队EES:超低能量损耗高温无铅陶瓷电容器。
01 研究背景西安交通大学科研团队EES:超低能量损耗高温无铅陶瓷电容器。
世界经济的快速发展总是伴随着人类社会对能源需求的不断增加，因此高效储能技术受到学术界和商业界广泛关注。储能陶瓷电容器作为脉冲电力电子应用的核心部件，其发展具有重要意义。与目前可用的其它电能存储设备（电池、燃料电池和超级电容器）相比，其优点包括快速充电/放电的能力，更高的功率密度和更长的寿命等，这对于先进电力电子设备向小型化和集成化的发展具有决定性意义。然而，能量密度小和/或能量效率低以及温度不稳定性是促进介电陶瓷电容器实际应用的主要阻碍。
根据介质电容储能的公式和基本原理，高性能电容器应具有高击穿Eb、大的最大极化强度（Pmax）与剩余极化强度（Pr）差值（Pmax-Pr）、极化饱和缓慢和温度不敏感等特点。弛豫铁电材料RFEs被认为是极具优化潜力的候选材料，因其纳米畴发生极化转换所需的能量势垒低，而铁电体FEs的微米级畴具有强互耦作用。目前公认的增强弛豫行为的方法是通过在FEs中引入顺电或线性端元以诱导无序结构或纳米畴，比如BT-BaZrO3和BF-SrTiO3等。类似地，通过将顺电组元SrTiO3（ST）或Sr2+引入到室温下呈R相的BNT陶瓷的A位点，可以在BNT-ST弛豫体系中实现菱方（R3c, R）和四方（P4bm, T）相纳米畴的共存结构。值得注意的是，在这种多态纳米畴结构中，极化各向异性和能量势垒明显受损，导致极化在电场下的转换比单相纳米畴更加平顺。然而，一些初步工作发现，过量引入Sr2+会导致较大的Pmax损失而限制储能性能的优化。因此，协调多态纳米畴的比例以增大Pmax-Pr值和优化制备工艺以提高击穿场强为此项工作的研究重点。
02 论文摘要
西安交通大学电子学院周迪教授、徐谛明助理教授与前沿院王栋教授合作，研究团队通过在(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3（BNST）弛豫铁电陶瓷中引入Bi(Mg1/3Ta2/3)O3（BMT）端元，设计出一种R相和T相极性纳米微区（PNRs）嵌入C相顺电基体的异质结构。通过组分调制优化R相和T相纳米畴的比例，实现畴的最平顺切换路径，在保持最大极化的同时最小化极化滞后。结果表明，随着弛豫体系化学复杂度的增加，极化无序程度加剧，诱导的多态PNRs极大地优化储能性能的同时也可以实现优越的温度不敏感性。此外，由于组织结构均匀致密，平均晶粒尺寸呈指数级降低，反复轧膜工艺（RRP）增强了击穿场强Eb这一关键参数，使得该体系同时保持了与铅基陶瓷相当的超高Wrec值10.28 J·cm-3和η值（97.11%），优于目前报道的其它无铅体系，特别是其能量损耗极低。此外，该陶瓷在宽温范围（25-200 ℃）内具有较高的性能和稳定性（Wrec~6.35±9% J·cm-3，η~94.8%±3%）。这些结果表明：这种多组元设计可以被认为是开发下一代高性能储能应用RFEs的可行范例，并可能引起研究人员对其它领域材料设计的普遍兴趣。该研究成果以“A high-temperature performing and near-zero energy loss lead-free ceramic capacitor”为题发表在Energy & Environmental Science期刊上。西安交通大学周迪教授、徐谛明助理教授和王栋教授为该论文的通讯作者，西安交通大学博士研究生李达为该论文的第一作者，该工作得到国家自然科学基金、陕西省国际合作项目等项目的资助，西安交通大学国际电介质研究中心提供了大量测试表征支持。
03 主要研究内容
图1（a）(1-x)BNST-xBMT陶瓷在200 kV·cm-1电场下和BNT陶瓷在100 kV·cm-1电场下的P-E曲线和（b）Pmax以及Pr。（c）临界电场下的P-E曲线和（d）储能参数(Wrec和η)。（e）给定E0场下x=0.15组分模拟计算的P-E曲线，（f1）矢量等高线图和（f2）对称等高线图微观结构演化。在500 ℃下测得的(1-x)BNST-xBMT陶瓷的总电导率的（g）Z*图和（h）Arrhenius图。（i）BMT15陶瓷在500 ℃时的Z〞和M〞谱图
图2 BMT15-RRP陶瓷在不同条件下的储能性能。电场相关的（a）P-E曲线和（b）Wrec和η值。（c）与最先进的储能无铅体陶瓷储能性能对比。420 kV·cm-1下，不同温度的（d）P-E曲线和（e）Wrec和η值。（f）近三年发表在著名期刊上的先进储能无铅体陶瓷Wrec的温度稳定性。（g）420 kV·cm-1下随频率变化的Wrec和η值。（h）BMT15RRP陶瓷在400 kV·cm-1下循环次数与（h）储能性能和（i）放电能量密度(Wdis)的关系
图3 相结构、微观结构和介电性能的演变、击穿分析及高温可靠性的起源。（a）BMT15陶瓷在25 ℃的恒波长中子衍射精修结果。（b）BNST和（c）BMT15陶瓷在不同频率下的介电常数和介电损耗随温度的变化。（d）可能的相图。（e）BNST、BMT15和BMT15-RRP陶瓷的微观结构，（f）平均晶粒尺寸，（g）Weibull分布。（h）BMT15-RRP陶瓷在25-200 ℃温度下的XRD变化。（i）模拟计算的不同温度下x=0.15组分的P-E曲线。x=0.15组分在不同温度下的微观结构演化用（j1）矢量等高线和（j2）对称等高线表示
图4 多态PNR共存的异质结构。（a）BMT15-RRP陶瓷沿[100]c的HAADF STEM偏振矢量图。黄色箭头表示从中心B位阳离子到A位阳离子的偏振矢量。橙色、蓝色和绿色虚线分别表示R、T和C相。（b）a图中白色区域的放大图。沿[100]c方向的（c）极化振幅和（d）极化角度
图5 畴结构的相场模拟。（a）25 ℃时(1-x)BNST-xBM系统的矢量等高线和对称等高线图。（b）给定E0场（分别大于其矫顽场）下x=0和x=0.15的极性结构演化。颜色区分FE畴的不同极化方向
04 团队介绍
周迪，教授、博士生导师，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院副院长。在国际期刊发表科技论文260余篇，其中第一作者文章60篇，通讯作者文章共186篇，总引用次数10000余次(Google Scholar H-index=55)，申请中国发明专利25项（已授权17项），获得国际衍射数据中心标准X射线衍射卡八项。主持国家自然科学基金、陕西省国际合作项目、华为公司横向课题，作为研究骨干参与国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划等，在微波介质结构性能调节分析、LTCC低温共烧陶瓷技术应用、谐振器滤波器及天线基板应用等方面取得一系列新颖的研究成果。
徐谛明，博士、助理教授。主要从事结构解析与分析、固态材料设计及其介电性能机制研究，以第一作者发表学术论文12篇。2018年7月于英国牛津大学获得博士学位，2018年9月至2021年12月于北京大学进行博士后研究，2022年2月入职于西安交大电信学部电子学院助理教授B岗。
王栋，西安交通大学前沿科学技术研究院教授、博士生导师。主要从事计算机模拟辅助材料微观组织设计研究，包括高性能铁性功能材料及轻质结构材料的相场动力学模拟及实验设计。近年来，主要贡献包括建立了铁性功能材料及轻质结构材料的相场动力学模型，揭示了钛合金材料多尺度设计机理，指导材料微观组织设计并改善性能。以包括第一作者及通讯作者在Phys. Rev. Lett. (2篇)，Acta Mater. (11篇)，Adv Funct. Mater. (4篇)等期刊发表论文60余篇。获得国家级基金项目总计500余万元，包括主持1项国家重点研发计划专项课题，3项国家自然科学基金；参与2项973、1项自然科学基金重点项目、1项国家重点研发计划。
05 文章信息
https://doi.org/10.1039/D3EE01545A
