上海硅酸盐所在铌酸钠基多层陶瓷电容器研究方面取得新进展

随着新能源技术的逐步推广，对储能密度高、工作温度高、工作电压高、温度稳定性好的电容器的需求日益增长。近年来，研究人员一直致力于提高铅基 (PbZrO₃)、钛基( (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃ 和 BaTiO₃) 和铁基 (BiFeO₃) 多层陶瓷电容器的储能性能。然而，铌酸钠作为研究最广泛的无铅反铁电材料之一，铌酸钠基多层陶瓷电容器的研究却鲜有报道。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所铁电陶瓷材料与器件课题组王根水研究员团队设计了一种新型0.67NaNbO₃-0.18(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.15Bi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃无铅多层陶瓷电容器并得到优异的综合储能性能。中子衍射结果表明随着(B_i0.5Na_0.5)TiO₃以及Bi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃的引入，围绕cp轴的无序倾斜，破坏了Na和Bi离子的长程有序，诱导极性纳米微区的产生，同时增强了弛豫行为，从而确保了优异的储能性能。基于此优化的介质层组分，对多层陶瓷电容器的多层结构进一步进行了优化，设计了介质层为 5.5μm、层数为9层的多层陶瓷电容器。最终在1100 kV/cm的电场下，0.67NaNbO₃-0.18(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.15Bi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃ 多层电容器获得了超高的储能密度（12.65 J/cm³）和储能效率（88.5%），实现了铌酸钠基多层陶瓷电容器性能突破。同时，还表现出优异的温度稳定性(-100 ~ 150℃ )、和循环疲劳稳定性(高达10⁷次)。该研究突出了铌酸钠基多层陶瓷电容器在储能应用中的优秀潜力，为恶劣工况下高性能无铅多层陶瓷电容器设计开辟了新的研究方向。

相关成果以“NaNbO₃-Based Multilayer Ceramic Capacitors with Ultrahigh Energy Storage Performance”为题发表在Advanced Energy Materials (2024)上。论文第一作者是上海硅酸盐所博士研究生吕重谦和澳大利亚国立大学Research Fellow陆腾博士，通讯作者是上海硅酸盐所王根水研究员和刘振副研究员。相关研究得到了国家自然科学基金、上海市浦江人才计划、中国科协青年人才托举工程、火炬高端介质材料研发基金等项目的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202304291.

(a) NN-BNT-100yBMH陶瓷的电滞回线， (b) NN-BNT-100yBMH陶瓷的储能特性， (c) NN-BNT-100yBMH陶瓷在100kHz下的介电温谱， (d) NN-BNT-100yBMH陶瓷的XRD谱图.

NN-BNT和NN-BNT-15BMH陶瓷的 (a-b)中子衍射精修结果 ，(c-f) 晶体结构，(g-f) TEM分析

NN-BNT-15BMH MLCCs的 (a) 光学照片，(b) SEM与EDS结果，(c-e) TEM分析结果，（f-g）电滞回线与储能特性，（i）NN-BNT, NN-BNT-15BMH陶瓷和NN-BNT-15BMH MLCCs的储能特性对比，(j)NN-BNT-15BMH MLCCs与其他体系的MLCCs储能特性的对比

NN-BNT-15BMH MLCCs的(a-b) 变温电滞回线及储能特性， (c) 电容随温度的变化， (d-f) 变温拉曼光谱

NN-BNT-15BMH MLCCs的 (a-b) 疲劳电滞回线及储能特性，(c, e)欠阻尼充放电性能，(d, f)过阻尼充放电性能