聊城大学研究团队在电介质陶瓷储能领域取得重要进展

近日， 聊城大学材料科学与工程学院付鹏副教授和山东大学王春明教授在电介质陶瓷储能领域取得新的研究进展，利用化学改性手段开发出具有良好综合储能性能的BaTiO3 (BT)基陶瓷体系。相关成果以“Achieving ultrahigh energy storage properties with superior stability in novel(Ba(1-x)Bix)(Ti(1-x)Zn0.5xSn0.5x)O3

relaxor ferroelectric ceramics via chemical modification”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（中科院1区、TOP期刊，2022年发布的影响因子达到16.744）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141724。

电介质储能电容器因其超高的功率密度、快速充放电能力、良好的热稳定性、优异的机械强度等优势，在电力电子、新能源汽车、航空航天和军工装备等领域显示出巨大的应用前景。目前应用的电介质储能电容器主要材料体系为陶瓷基和聚合物基材料，与聚合物基介电材料相比，介电陶瓷具有大介电常数、低介电损耗、适度的击穿电场、良好的温度稳定性和抗疲劳特性等优点。然而，介电陶瓷较低的储能密度限制了它们的应用。因此，使用一定的手段来改善陶瓷基电介质电容器的储能性能成为研究的新焦点和新挑战。

化学改性是指通过添加或去除原子或分子来修饰其化学组成。在材料科学领域，这种做法通常包含元素替代和多相复合。而这也是BT陶瓷中用于增强或调节其性能的重要方法。该研究工作利用Bi(Zn0.5Sn0.5)O3（BZS）化学改性BT基体制备出(Ba(1-x)Bix)(Ti(1-x)Zn0.5xSn0.5x)O3（BBTZS-x）陶瓷，将BT陶瓷从正常铁电体转变为弛豫铁电体，表现出了良好的综合储能特性。在BBTZS-0.12陶瓷中实现了较高的能量密度Wrec=4.99 J/cm3和能量效率h=86.1%；该类材料还表现出优异的温度（30-150 oC）、频率（1-500 Hz）和疲劳（循环次数100000）稳定性（图1所示）；此外，BBTZS-0.12陶瓷表现出优异的充放电特性（CD=721.5 A/cm2、PD=151.5 MW/cm3和t0.9=53 ns）。以上性能参数与其它电介质陶瓷体系相比，具有明显的优势。

图1. BT基陶瓷获得高储能性能的策略示意图

图2. BBTZS-0.12陶瓷(a) 在不同电场下的单极P-E曲线；(b) 频率稳定性曲线；(c) 温度稳定性曲线

针对以上结果，该课题组通过XRD、SEM、拉曼光谱、PFM等测试表征手段对其高性能的机制进行了研究。研究发现，改性后的所有样品都具有伪立方结构和弛豫特性，通过化学改性还形成了PNRs（极性纳米微区）结构，PNRs的快速可逆性有利于延迟极化饱和并导致弛豫，增大了ΔP和Eb，从而有效提高了BT基陶瓷的储能特性。利用有限元模拟分析了储能性能提升的结构因素，结果表明：晶界对电流的阻碍作用大于晶粒，较小且均匀分布的晶粒尺寸更有利于阻碍电流的传导，提高Eb值，储能特性可以得到很大的改善。该项工作研制的电介质陶瓷在先进脉冲功率电容器和高性能储能材料领域具有广阔的应用前景。

聊城大学为该论文第一署名单位，2020级硕士研究生尹明为论文第一作者，付鹏副教授、李伟教授和山东大学王春明教授为论文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金和中科院无机功能材料与器件重点实验室开放课题的资助。

该课题组近年来在Chemical Engineering Journal、Journal of the European Ceramic Society、ACS Applied Materials & Interfaces和Ceramics International等知名期刊发表多篇论文，积极推动了高性能储能陶瓷材料的研发和应用。