曾华荣等在NaNbO3基无铅陶瓷储能特性研究方面取得新进展

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电介质电容器具有充放电速率快、功率密度高、循环寿命长、机械性能好等优点,非常适用于脉冲功率系统和高功率系统，在航空航天、医疗器械、汽车电子、激光系统等领域具有重要应用前景。但电介质电容器的储能密度相对较低，使其在储能元件的小型化、集成化和轻量化发展上受到极大限制。近10年来，无铅储能陶瓷储能特性研究进展迅速，储能密度不断取得新突破。其中，NaNbO3无铅陶瓷具有低的理论体积密度、高的潜在极化强度，并具有环境友好的特性，因而该体系日益受到关注，但迄今NaNbO3基无铅储能陶瓷仍然面临如何同时获得高储能密度和高储能效率的研究挑战。

(a-d) NBNTx陶瓷的P-E曲线，(e-f) NBNTx的储能特性

NBNTx陶瓷的(a-d) XRD结构精修、(e)介电温谱、(f) 拉曼光谱，(g) NBNT10陶瓷的变温拉曼光谱

(a-b) NBNT10陶瓷的温度稳定性，(c-d) NBNT10陶瓷的频率稳定性

(a-d) NBNT10陶瓷的充放电特性，(e) NBNT10陶瓷充放电特性与其他无铅储能陶瓷的比较

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所与同济大学合作，利用铁电畴和能带工程的协同优化策略，有效提高了NaNbO3基无铅储能陶瓷的综合性能。通过在NaNbO3基体的A位引入异价Bi3+离子、在B位引入Ta5+离子，获得了具有纯钙钛矿结构的Na0.7Bi0.1Nb1-xTaxO3 （NBNTx）无铅储能陶瓷。陶瓷中所形成的A、B位离子无序和A位离子空位，引起局域无规场，打破了长程有序结构，形成了高活性极性纳米微区PNRs，从而降低了体系剩余极化强度，提高了其储能效率。同时，Ta的掺杂也有利于提高陶瓷的禁带宽度，显著降低了平均晶粒尺寸，进而提高了陶瓷的击穿场强，在530 kV/cm的电场作用下，Na0.7Bi0.1Nb0.9Ta0.1O3陶瓷获得了高储能密度（Wrec=7.33 J/cm3）和高储能效率（η=83.68%）。该陶瓷同时表现出优异的稳定性和充放电特性(t0.9 = 60 ns, PD = 320.21 MW/cm3)。研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A，doi.org/10.1039/D2TA02534E。
　　论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生杨伟伟，通讯作者为曾华荣研究员和同济大学翟继卫教授。相关研究工作得到了科技部重点研发计划和国家自然基金委面上项目等课题的资助和支持。
　　相关链接：https://doi.org/10.1039/D2TA02534E
         文章来源：上海硅酸盐所
        曾华荣， 男，江西乐安人，工学博士，研究员。1995年毕业于燕山大学材料科学与工程系，获学士学位；1998年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，获硕士学位，并留所工作；2003年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，获博士学位。2005年4月至2007年4月在日本物质×材料研究机构（NIMS）做博士后研究。迄今已在App. Phys. Lett., J. Appl. Phys., J. Mater. Res.等国内外刊物发表SCI论文60余篇，申请国家发明专利3项，合作出版英文专著1部。
        翟继卫，同济大学材料科学与工程学院教授，博士生导师、副院长。1984年7月本科毕业于新疆大学物理系物理专业，1987年7月硕士毕业于中国科学技术大学物理系固体物理专业，1997年12月博士毕业于西安交通大学电子与信息工程学院电子材料与元器件专业。1987年7月至1994年9月，任中国科学院新疆物理研究所助理研究员、副研究员。1998年1月至1999年12月，在同济大学功能材料研究所从事博士后研究。2000年1月加入同济大学功能材料研究所，2000年7月起任同济大学教授、博士生导师。1994年获中国科学院首批“西部之光”计划资助，2004年入选教育部新世纪优秀人才计划（NCET-04-0378），2005年入选上海市浦江人才计划（05PJ14094）。2003年以来负责科研项目20余项，包括973计划子课题3项、863计划子课题1项、国家自然科学基金项目5项、教育部项目5项、上海市项目5项、“十二五”国家科技计划1项等。在国际学术刊物上发表研究论文390篇，379篇己被SCI收录，3200余篇次被引用。