BUPT 北邮
10月5日， Nature子刊《Nature Communications》发表题目为“Ferroelectric tungsten bronze-based ceramics with high-energy storage performance via weakly coupled relaxor design and grain boundary optimization”的学术论文。论文由北京邮电大学理学院，信息光子学与光通信全国重点实验室联合清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室完成。第一作者为北京邮电大学博士生刘家铭，北京邮电大学理学院毕科教授、郭丽敏副教授等为本文通讯作者。（论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52934-x）。
在信息通讯、新能源汽车、脉冲激光等高频高功率设备中，电容元件不可或缺，它被广泛应用在能量转换、自动控制等电路系统中。获得具有高储能密度及效率的电介质材料，是提高储能电容充放电速率，延长设备循环寿命的关键。
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在各种电路设备的主板中，电容元件占板面积在50%左右，例如手机主板电容1500颗左右、电动汽车各部位用电容30000颗左右。因此，电容储能密度的提高是实现设备小型化、减重的关键。
相较于传统的电化学储能（日常生活中大家熟悉的锂电池就是典型的电化学储能设备）而言，陶瓷储能电容以耐高压、高功率密度和高储能效率闻名。目前储能陶瓷储能材料的研究主要集中于钙钛矿结构的铁电/反铁电材料中。作为第二大类铁电体，四方钨青铜结构（TBBs）陶瓷虽然也具有良好的铁电和介电性能，但由于其复杂的晶体结构，在局部结构设计和优化上存在较大的困难，导致其在储能领域的研究很少得到关注且性能提升缓慢。
北邮师生长期以来对信息功能材料的多尺度结构精细调控及其相关应用进行了系统、深入的研究，并取得了一系列的进展。团队以高密度、高效率、高可靠性的储能电容元件为目标，以无铅陶瓷材料为基础，不断改进材料配方和设计思路，突破性地在钨青铜结构的陶瓷材料体系中获得了优越的储能性能，打破了钙钛矿陶瓷在储能电容中的固有垄断地位，为储能电容的材料设计带来新的思路和方法。
图：实验室教师指导学生展开研究
团队通过多尺度设计增强了钨青铜陶瓷BaSrTiNb2-xTaxO9的弛豫行为，通过第二相（Ba0.5Sr0.5TiO3）在晶界处的析出以及B位Ta5+掺杂增加了离子无序性以及化学不均匀性，从而打破了长程有序的铁电畴，诱导出对外场响应迅速的极性纳米微区，显著降低了剩余极化强度。高耐火性的Ta掺杂显著抑制了晶粒生长并提高晶界激活能，高绝缘和顺电特性的第二相与主相晶粒形成局部“芯-壳”结构，这些局部结构设计显著提高了体系的击穿电场强度。最终在950kV/cm的电场下，BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷获得了12.2 J/cm3的高储能密度和89.5%的优异储能效率，是目前已报道的四方钨青铜基陶瓷材料的最高储能密度。此外，该陶瓷在频率（0.1-100Hz）、温度（25-160 oC）和循环电场（106次）下表现出显著的稳定性。本研究提出的多尺度材料优化策略，特别是复相结构设计为电介质电容器研发提供了一种新的方法。
图：本研究的设计思路和综合性能对比
图：BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷
微观复相结构设计、成分分析和极化微区表征
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目前已经发表的研究成果中四方钨青铜陶瓷的储能密度大部分在5 J cm-3以下，本研究获得的材料储能密度为12.2 J cm-3。这意味着，以此次研究成果为依托的储能材料，可以使得相同储能容量的器件体积减半。此外，器件过热是减少寿命的重要原因，高储能效率则是防止器件发热的关键。因此，本研究成果将有助于推动于电路的小型化、集成化，延长电路系统使用寿命。
原文始发于微信公众号（北邮本科招生）：Nature 子刊发文丨北邮人新突破，电路脉冲功率系统有望实现高集成化
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