Advanced Energy Materials:高性能铌酸钠基无铅弛豫铁电陶瓷电容器

固态介质储能电容器因其高功率密度和超快充放电速率而受到人们的高度关注。为了满足实际应用的需要,设计和开发同时具有高储能密度、高效率和性能稳定的储能介质材料至关重要。相比反铁电体,弛豫铁电体由于在储能效率方面的巨大优势,在介质电容器领域具有极大的应用潜力。然而,由于储能特性参数之间往往存在微妙平衡,以及理论上对充放电过程中材料局域结构演变规律的认识不够,很难合成具有理想综合储能性能的介质材料。

近日,安徽工程大学材料科学与工程学院左如忠教授科研团队联合中科院上海硅酸盐研究所傅正钱博士以及南昌大学材料学院费林峰教授针对这一问题,进行了深入研究,并取得了重要进展。该研究团队通过多重协同设计,一方面引入具有大的极化位移的Li离子与具有6s孤对电子的Bi离子来提高极化强度,另一方面引入局域随机场来调控电畴尺寸,成功制备了综合储能性能优异的NaNbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3无铅弛豫铁电陶瓷,具有超高的放电储能密度~8.73 J/cm3、高储能效率~80.1%、优异的温度稳定性(±6%,25~200 oC)以及超快放电速率(t0.9<85 ns)。通过原位透射电子显微镜和拉曼光谱进一步分析了在施加和释放电场的过程中局域结构的演变规律,揭示了具有优异储能性能的结构机理。不同尺度的极性纳米畴与非极性基体组成的局域结构,以及电场下维持不变的局域正交对称性导致了在宽电场和温度范围内明显延迟的饱和极化特性以及低滞后的类线性极化响应。对原位多尺度结构演变与优异储能性能之间关系的深入理解为未来开发高储能性能的介质陶瓷材料提供理论指导。

论文信息:

NaNbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3 Lead-Free Relaxor Ferroelectric Capacitors with Superior Energy-Storage Performances via Multiple Synergistic Design

Aiwen Xie, Ruzhong Zuo*, Zhenliang Qiao, Zhengqian Fu*, Tengfei Hu, Linfeng Fei*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101378

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202101378