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。 

　　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Na_0.7Bi_0.1Nb_1-xTa_xO₃ （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，Na_0.7Bi_0.1Nb_0.9Ta_0.1O₃陶瓷获得了高储能密度（W_rec=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(t_0.9 = 60 ns, P_D = 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

 

(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