中國粉體網(wǎng)訊  目前主流的電能存儲器件主要有四種，分別是：化學(xué)儲能裝置(電池)、固體氧化物燃料電池(SOFCs)、電化學(xué)電容器(ECs)和靜電電容器(電介質(zhì)電容器)。圖中可以看出，四種電能存儲器件均不能具備高的儲能密度的同時兼顧高的功率密度。

四種儲能方式的電容器儲能密度與功率密度關(guān)系圖

結(jié)合四種電能存儲器件的優(yōu)缺點認(rèn)為：電介質(zhì)電容器電能儲存裝置更具經(jīng)濟性、可適用性，更安全可靠，在電容器領(lǐng)域具有好的發(fā)展前景。而儲能陶瓷正是介電儲能電容器所使用的重要材料，其具有較大的介電常數(shù)、較低的介電損耗、適中的擊穿電場、較好的溫度穩(wěn)定性、良好的抗疲勞性能等優(yōu)點，在耐高溫介電脈沖功率系統(tǒng)上有應(yīng)用前景。就可查證的文獻資料統(tǒng)計，截至目前，就儲能性能方面而言，含鉛陶瓷要優(yōu)于無鉛陶瓷。

眾所周知，鉛元素毒性極強，在工業(yè)生產(chǎn)、日常使用和廢氣后處理過程中都對人體和生態(tài)有著極強的危害。所以，如何減少能源損耗，提高儲存效率、獲得更多有效儲能、減少能量損耗、減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，發(fā)展無毒無害、環(huán)境友好型的綠色可再生能源，成為人們關(guān)注和研究的重點，也成為眾多學(xué)者研究者發(fā)展提升儲能技術(shù)與高質(zhì)量儲能密度介質(zhì)材料的重要推動力。

無鉛儲能陶瓷的特性及應(yīng)用

無鉛儲能陶瓷，主要是以具有鐵電、壓電等特性為核心的非線性電介質(zhì)材料為主。與傳統(tǒng)的線性電介質(zhì)相比，非線性電介質(zhì)材料的有效儲能密度較大，具有更大的應(yīng)用潛力于實際中；另外，無鉛材料則具有環(huán)境友好、密度小于鉛基材料的特性，便于在實際應(yīng)用中實現(xiàn)輕質(zhì)化、便攜化。無鉛儲能陶瓷介電容器與目前被廣泛研究的超級電容器一樣，都具有高的功率密度(~108W/kg)、快的充放電速度(<1μs)和長的循環(huán)壽命(~5萬次)等優(yōu)點。

在探究儲能特性方面，具有擊穿場強適中、介電損耗較低、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞優(yōu)良等優(yōu)異特性，在航空航天、新能源發(fā)電、動力汽車、電磁脈沖武器、新能源發(fā)電、醫(yī)用手術(shù)激光、混合動力汽車、核物理技術(shù)、資源勘探和定向武器等方面都有著廣闊的前景，是脈沖功率裝置中最核心的元部件之一，在電力電子系統(tǒng)中扮演著越來越重要的作用。因此，陶瓷態(tài)無鉛儲能材料被認(rèn)為是一種新型的、具有較高耐熱性能的優(yōu)選材料，是可持續(xù)發(fā)展的、可再生的、具備發(fā)展?jié)摿Φ膬δ懿牧稀?/p>

根據(jù)《2020研究前沿》(2014-2019)報告顯示，在化學(xué)與材料科學(xué)研究領(lǐng)域，“無鉛儲能陶瓷”已經(jīng)成為國際上最受關(guān)注的前沿研究熱點方向，充分體現(xiàn)了我國科研人員以及國際社會對該領(lǐng)域課題的高度關(guān)注。在此背景下，無論是為防止我國在這一領(lǐng)域被日本、歐美等發(fā)達國家“卡脖子”，還是為了適應(yīng)我國的未來發(fā)展方向，都需要加大在陶瓷介質(zhì)電容器元件這一領(lǐng)域的支持和研發(fā)力度。

無鉛儲能陶瓷的研究現(xiàn)狀

針對無鉛儲能陶瓷的研究，目前研究較多的體系有鈮酸鈉(NaNbO₃,簡稱NN)、鈦酸鋇(BaTiO₃, 簡稱BT)、鈮酸銀(AgNbO₃, 簡稱AN)、鈮酸鉀鈉(K_0.5Na_0.5NbO₃, 簡稱KNN)等體系。

■ 鈮酸鈉體系（NaNbO₃）

NaNbO₃是一類典型的無鉛無毒無污染、低密度和低成本的新型材料，是一類非常重要的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的反鐵電材料。在儲能方面，NN基陶瓷具有很多優(yōu)異特性，例如既具備高的居里溫度(370℃)，又具有高的機電耦合系數(shù)、大的擊穿場強、高的飽和極化值(~40 μC/cm²)等，在介電儲能領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。但純的NN剩余極化強度(Pr)高，導(dǎo)致其可恢復(fù)儲能密度和能量效率低，不利于儲能的優(yōu)化。為了獲得更佳儲能特性的電介質(zhì)容器，眾多學(xué)者研究者對NN基陶瓷進行了深入研究。

NN基陶瓷提升儲能特性主要表現(xiàn)在：

（1）離子摻雜改善晶粒尺寸，增強擊穿場強，提升極化強度；

（2）選擇優(yōu)良原料供應(yīng)商，降低化學(xué)差異性。良好的可重復(fù)性同時也為材料從基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（3）改善工藝，探索更佳燒結(jié)方式。

■ 鈮酸銀體系（AgNbO₃）

AgNbO₃是NN體系之外，另一重要的反鐵電體系，由于早期觀察到非零小剩余極化，被認(rèn)為表現(xiàn)出弱鐵電性。為了提升鈮酸銀基陶瓷的儲能特性，研究人員通過金屬氧化物摻雜，降低材料的容忍因子，提高陶瓷材料的反鐵電性，最終提升儲能特性。雖然鈮酸銀基陶瓷具有較高的儲能密度，在應(yīng)用方面可能具有巨大優(yōu)勢，但其反鐵電的特有P-E圖，表現(xiàn)出較大能量損耗，另外，Ag原料成本高，制備工藝復(fù)雜，使得鈮酸銀基陶瓷電容器在儲能方面的實際量產(chǎn)應(yīng)用有待加強。

■ 鈦酸鋇體系（BaTiO₃）

BaTiO₃基陶瓷是發(fā)現(xiàn)最早、研究最早、最受歡迎的無鉛弛豫鐵電體之一，具有介電系數(shù)高、介電損耗小等優(yōu)勢。但是純的BT基陶瓷居里溫度低，在居里溫度之上會發(fā)生相變，導(dǎo)致其適用工作溫度范圍狹窄，難以滿足極端條件下的使用，限制了其在高性能儲能設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展。為此，有學(xué)者對其進行離子取代形成固溶體進行儲能特性改良，研究出BZT陶瓷和BST陶瓷，并在最佳制備工藝下獲得的不錯的儲能密度和儲能效率。

■ 鈮酸鉀鈉體系（KNN）

K_0.5Na_0.5NbO₃基陶瓷是一種將傳統(tǒng)的鈮酸鈉體系進行Na⁺離子替換形成的比較新的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷，具有致密的微觀結(jié)構(gòu)且晶粒尺寸較小，居里溫度較高，是較優(yōu)異的壓電材料，但關(guān)于其的儲能特性的研究相對較少。在光學(xué)特性方面，KNN陶瓷具有良好的透光性，在透明面板以及相應(yīng)光學(xué)儀器方面具有應(yīng)用前景。起初對于KNN陶瓷的研究是針對其壓電性能方面的研究，之后逐漸便有了研究人員對KNN基各性能的研究：

（1）固溶第二組元提升KNN儲能特性。

（2）金屬氧化物作助燒劑，可以一定程度降低晶粒尺寸和氣孔率，進而提升 KNN陶瓷的儲能性能。

■ 其他體系

目前研究較為廣泛的無鉛儲能陶瓷體系還有很多，比如鈦酸鉍鈉(Bi_0.5Na_0.5TiO₃, 簡稱BNT)體系和鐵酸鉍(BiFeO₃,簡稱BF)體系等。

BNT陶瓷是是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，其居里溫度較高，室溫下呈鐵電相，其較高的居里溫度和較大的剩余極化強度限制了BNT在室溫條件和儲能領(lǐng)域下的發(fā)展。

BiFeO₃基陶瓷是一種被研究最多的多鐵性體系，有較高居里溫度、較大自發(fā)極化、在室溫下觀察到鐵磁和鐵電特性的特點，多被應(yīng)用于高溫鐵電和壓電領(lǐng)域。但純的BF陶瓷具有較大的泄漏電流，早期不被認(rèn)為在儲能方面有大的前景。為了改善該特性，有研究者引入合金等摻雜劑抑制電流泄露，配方優(yōu)化，降低電導(dǎo)率，使得BF體系獲得較優(yōu)異的儲能特性。

小結(jié)

儲能陶瓷的應(yīng)用已經(jīng)貫穿于我們生活的方方面面：上至航空航天、新能源發(fā)電、動力汽車等領(lǐng)域，下至人們的日常出行，說明儲能陶瓷材料已經(jīng)成為脈沖功率設(shè)備中最關(guān)鍵的元件之一，在電力電子系統(tǒng)中發(fā)揮著日益重要的作用。

（a）儲能陶瓷的應(yīng)用, (b)2010-2020 年電介質(zhì)儲能材料論文發(fā)表情況

從近十年鉛基陶瓷、無鉛基陶瓷、多層陶瓷與陶瓷粉薄膜的文章發(fā)行量來看，無鉛基陶瓷占著越來越多的比重，看出人們在追求物質(zhì)與精神生活水準(zhǔn)的同時，也越來越重視對環(huán)境的保護。所以，研發(fā)高儲能性能的無鉛環(huán)保材料刻不容緩。

來源：

馮游：NaNbO₃基電子陶瓷的制備及電學(xué)性能研究

科大材子之家：科海泛舟|高功率，高效益，你不知道的無鉛儲能陶瓷

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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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