中國粉體網(wǎng)訊  1746年，荷蘭科學家Pieter van Musschenbroek發(fā)明了世界上最原始形式的電容器儲能裝置——萊頓瓶。萊頓瓶是一個玻璃容器，內(nèi)外包覆著金屬箔作為極板，瓶中插入一根金屬導電棒，上端為球形電極，下端連接容器內(nèi)側金屬箔，這就構成了以玻璃瓶為電介質(zhì)的電容器。后來人們發(fā)現(xiàn)，只要兩個金屬板中間隔一層絕緣體就可以制成電容器，而并不一定要制造萊頓瓶一樣的裝置，自此拉開了電容器介質(zhì)材料的研究序幕。而后，儲能電容器介質(zhì)材料又經(jīng)歷了從“油”到“水”，再到固態(tài)電介質(zhì)的數(shù)次重大突破。

Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)作為陶瓷基儲能電介質(zhì)材料的典型代表，存在獨特的外場誘導反鐵電相到鐵電相的相變行為，相變過程伴隨著巨大的能量存儲與釋放。Pb基陶瓷介質(zhì)無論是塊體還是薄膜材料都具有良好的儲能性能，部分材料已被工業(yè)生產(chǎn)。但是，Pb基陶瓷中PbO(或Pb₃O₄)的強毒性以及在燒結過程中的高揮發(fā)性使得鉛基陶瓷在制備、使用及廢棄后處理過程中對人體和生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害。為了保持人類社會和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，近年來，國內(nèi)外學者將研究重點轉向了無鉛儲能陶瓷介質(zhì)材料。

近10年來，無鉛儲能陶瓷儲能特性研究進展迅速，儲能密度不斷取得新突破。其中，NaNbO₃無鉛陶瓷具有低的理論體積密度、高的潛在極化強度，并具有環(huán)境友好的特性，因而該體系日益受到關注。但是，迄今NaNbO₃基無鉛儲能陶瓷仍然面臨如何同時獲得高儲能密度和高儲能效率的研究挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所與同濟大學合作，利用鐵電疇和能帶工程的協(xié)同優(yōu)化策略，有效提高了NaNbO₃基無鉛儲能陶瓷的綜合性能。通過在NaNbO₃基體的A位引入異價Bi³⁺離子、在B位引入Ta⁵⁺離子，獲得了具有純鈣鈦礦結構的Na_0.7Bi_0.1Nb_1-xTaxO₃（NBNT_x）無鉛儲能陶瓷。陶瓷中所形成的A、B位離子無序和A位離子空位，引起局域無規(guī)場，打破了長程有序結構，形成了高活性極性納米微區(qū)PNRs，從而降低了體系剩余極化強度，提高了其儲能效率。同時，Ta的摻雜也有利于提高陶瓷的禁帶寬度，顯著降低了平均晶粒尺寸，進而提高了陶瓷的擊穿場強，在530kV/cm的電場作用下，Na_0.7Bi_0.1Nb_0.9Ta_0.1O₃陶瓷獲得了高儲能密度（Wrec=7.33J/cm³）和高儲能效率（η=83.68%）。該陶瓷同時表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和充放電特性(t_0.9=60ns,P_D=320.21MW/cm³)。研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，doi.org/10.1039/D2TA02534E。

論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生楊偉偉，通訊作者為曾華榮研究員和同濟大學翟繼衛(wèi)教授。相關研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃和國家自然基金委面上項目等課題的資助和支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA02534E

(a-d) NBNTx陶瓷的P-E曲線，(e-f) NBNTx的儲能特性

參考來源：

[1]上海硅酸鹽所

[2]張光祖等.儲能用無鉛鐵電陶瓷介質(zhì)材料研究進展