以下文章来源于电介质Dielectrics
研究背景：
当前，同时具有高能量密度和功率密度的材料来满足便携式电子产品、电动汽车和大型储能设备的需求不断增长。电介质陶瓷电容器由于其超快的充放电速率、高功率、良好的温度稳定性等优势成为了新一代先进脉冲电源系统的重要组成部分，在脉冲功率应用中受到了越来越多的关注。然而，相对低的力学性能以及高电场和高温环境下急剧下降的储能密度和效率严重制约了目前电介质陶瓷电容器的实际化应用。例如，目前报道的无铅电介质陶瓷很难满足同时具有高储能密度（> 5.5 J/cm3）、超高效率 （> 90%）、良好力学性能、优异温度稳定性。特别是高的充放电效率可以保证充放电过程中将产生较小的热量，最终从根本上保证了因热失控导致的器件失效。因而，如何构筑和实现同时兼具高储能密度、效率、优异温度稳定性的无铅电介质储能陶瓷一直是促进器件商业化的关键难题和挑战。
成果简介：
近日，杭州电子科技大学白王峰副教授课题组及其合作者提出两步优化协同设计思路实现SBT基无铅弛豫铁电陶瓷高效储能行为。第一步，选择具有极小的剩余极化强度的SBT基弛豫陶瓷为基体，通过离子选择工程将BNN引入SBT，构筑了具有极小尺寸和高度动力学响应的极性纳米微区，实现了超高的储能效率；第二步，利用两步烧结工艺，进一步剪裁晶粒尺寸至亚微米尺度，实现了高的击穿场强和力学性能(图1)。最终在高电场580 kV/cm下，两步协同设计的SBT基弛豫陶瓷同时表现出超高的储能效率(η = 98.6%)、高的储能密度(Wrec =5.98 J/cm3) 、高的维氏硬度 (Hv = 8.38 Gpa) 、优异的温度稳定性(Wrec = 3.12–3.42 J cm-3 and η =96.4–99.8%, 30–140 °C)、良好的充放电特性(PD = 187.4 MW cm-3, Wd = 1.53 J cm-3, and t0.9 = 36 ns)。这项工作不仅开发了具有实际应用前景的SBT基弛豫铁电陶瓷材料，进一步为发展全面高效的电介质材料提供了可供参考新设计途径。相关研究成果以“A synergistic two-step optimization design enables high capacitive energy storage in lead-free Sr0.7Bi0.2TiO3-based relaxor ferroelectric ceramics”发表在国际著名期刊《J. Mater. Chem. A》。该论文第一作者为杭州电子科技大学2020级硕士研究生刘继康及2019级硕士研究生丁昱钦，通讯作者为白王峰副教授，郑鹏副教授和同济大学翟继卫教授，杭州电子科技大学为论文第一单位。
图文介绍：
图1两步协同优化设计实现SBT基弛豫铁电陶瓷全面储能特性的原理图。图1(a)通过离子工程增强最大极化强度以及引入局部随机场，图1(b)通过两步烧结来调控陶瓷的耐压强度及硬度，图1(c)设计陶瓷具有优异的储能特性和力学性能。
图2储能性能。图2 (a)-(f)展示陶瓷在不同电场下的电滞回线以及储能密度和效率的变化。图2(g)表明两步协同设计显著提高了SBT基陶瓷的耐压强度、储能密度、储能效率。图2(h)对比本工作与报道的各种无铅电介质陶瓷的储能密度和效率。
图3力学、温度稳定性、充放电性能。图3(a-c)为两步协同设计陶瓷的力学性能。图3(d和e)为陶瓷不同温度下的电滞回线以及与近几年报道的代表性无铅储能陶瓷温度稳定性对比。图3(f和g)为两步协同设计陶瓷的变温拉曼。图3(h和i)为两步协同设计陶瓷的充放电性能。图3(j)为两步协同设计陶瓷与代表性无铅储能陶瓷Wrec、η、Eb、Hv、PD、t0.9之间的比较。
图 4.耐压强度探究。图4(a-f)展示两步烧结的引入显著降低了SBT基陶瓷的晶粒尺寸并且表现出优异的致密性。图4(g- n)展示相场模拟计算不同晶粒尺寸击穿路径以及击穿随时间的演化，从理论上阐明击穿场强与晶粒尺寸之间的关联性。
图 5.畴形态及动力学探究。图5(a和b) FORC计算研究相结构的演变。图5(c1-d6)展示BNN的引入促使材料产生了极性纳米微区，并且表现出高度的动力学响应。图5(e-p)通过HR-TEM表明材料存在极性纳米微区，解释了材料高储能性能的根源。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D2TA08074E
作者介绍：
白王峰，杭州电子科技大学材料与环境工程学院副教授，硕士生导师。主要从事压电、铁电和介电陶瓷材料方面的研究。近几年在无铅压电陶瓷场致应变和储能方面开展了一系列工作，取得了较系统性的工作，在Small, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Adv. Electron. Mater., J. Eur. Ceram. Soc., Chem. Eng. J., J. Am. Ceram. Soc., J. Mater. Chem. C, Scr. Mater.等期刊上发表SCI论文45余篇；近期相关成果如下：
近期代表作：
1. Jikang Liu, Yuqing Ding, Chongyang Li, Wangfeng Bai*, Peng Zheng*, Shiting Wu, Jingji Zhang, Zhongbin Pan,Jiwei Zhai*. A synergistic two-step optimization design enables high capacitive energy storage in lead-free Sr0.7Bi0.2TiO3-based relaxor ferroelectric ceramics J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/D2TA08074E.
2. Chongyang Li, Jikang Liu, Long Lin, Wangfeng Bai*, Shiting Wu, Peng Zheng,*Jingji Zhang, Jiwei Zhai*. Superior energy storage capability and stability in lead-free relaxors for dielectric capacitors utilizing nanoscale polarization heterogeneous regions, Small, DOI: 10.1002/smll.202206662.
3. Chongyang Li,Jikang Liu, Wangfeng Bai*,Shiting Wu, Peng Zheng,* Jingji Zhang, Zhongbin Pan, Jiwei Zhai*. Superior energy storage performance in (Bi0.5Na0.5)TiO3-based lead-free relaxor ferroelectrics for dielectric capacitor application via multiscale optimization design, Journal of Materials Chemistry A 10, 9535-9546,(2022)
4. Jikang Liu, PengLi, Chongyang Li, Wangfeng Bai*, Shiting Wu, Peng Zheng,* Jingji Zhang, Jiwei Zhai.* Synergy of Stabilized Antiferroelectric Phase and Domain Engineering Boosting Energy Storage Performance of NaNbO3-Based Relaxor Antiferroelectric Ceramics, ACS Applied Materials & Interfaces 14, 17662-17673, (2022)
5. Yuqing Ding, Wenjun Que, Jintao He, Wangfeng Bai*,Peng Zheng,Peng Li,Jingji Zhang,* Jiwei Zhai.* Realizing high-performance capacitive energy storage in lead-free relaxor ferroelectrics via synergistic effect design, Journal of the European Ceramic Society, 42, 129-139, (2022)
6. Yuqing Ding, PengLi, Jintao He, Wenjun Que, Wangfeng Bai*, Peng Zheng,*Jingji Zhang, Jiwei Zhai.* Simultaneously achieving high energy-storage efficiency and density in Bi-modified SrTiO3-based relaxor ferroelectrics by ion selective engineering, Composites Part B: Engineering, 230, 109493, (2022)
论文链接：https://doi.org/10.1039/D2TA08074E
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