科研成果

CEJ: 西南大学严岩老师在介电储能方向取得进展

近日，西南大学材料与能源学院严岩老师及合作者在钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷研究领域取得进展。相关成果以“Energy storage performance of Na_0.5Bi_0.5TiO₃ based lead-free ferroelectric ceramics prepared via non-uniform phase structure modification and rolling process”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。严岩老师为第一通讯作者，研究生郭彪为第一作者；西南大学为该成果第一完成单位，西安交通大学和华中科技大学为共同完成单位。

钛酸铋钠（Na_0.5Bi_0.5TiO₃, NBT）陶瓷是一种全无机钙钛矿型铁电材料，作为一种具有优异铁电和压电性能的陶瓷材料，常被用在传感器和一些功能转换器件中，成为了电子工业的支柱。NBT陶瓷具备大剩余极化（P_r）和低介电击穿场强（BDS）的特点，使其在介电储能领域的研究较少，而且多数NBT基陶瓷的储能温度稳定性较差，难以满足电子器件在高温下的使用。因此，在改善储能性能的同时获得具有优异温度稳定性的弛豫铁电材料成为了研究者们的新挑战。本工作首先采用铁电固溶（BaTiO₃，BT）构建准同型相界结构，再通过调整B位离子的组成对铁电材料的畴结构进行优化以增加材料的弛豫性，最后结合轧制工艺提高材料的击穿场强，从而极大地提高了NBT基无铅介电陶瓷的储能性能。并且依靠极化失配的方法改善了材料的温度稳定性。

通过上述研究方法，成功制备出了一系列的(0.94Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBiMg_2/3Nb_1/3O₃弛豫铁电材料。BT的引入使材料在退极化过程中产生了“束腰”现象，有利于储能密度的提高。BiMg_2/3Nb_1/3O₃的引入则使材料中残余的长程有序结构被进一步破坏，并对Bi元素在高温下的损失进行补偿，在降低P_r的基础上保证高P_max，从而有效改善其储能性能。通过轧制工艺制备的陶瓷样品，其BDS显著提高，并由此带来更优异的储能性能。综上，0.85(0.94Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-0.15BiMg_2/3Nb_1/3O₃陶瓷在420 kV/cm的电场下获得了6.3 J/cm³的超高储能密度，储能效率为79.6%。此外，通过极化失配的方法获得了优异的温度稳定性，在350 kV/cm的电场下W_rec > 5.03 J/cm³, η > 82% (30~170℃)。

该工作也是继 Chemical Engineering Journal 420 (2021) 129900、Chemical Engineering Journal 419 (2021) 129673、Chemical Engineering Journal 412 (2021) 127555、Chemical Engineering Journal 398 (2020) 125625、Journal of Materiomics 6 (2020) 677-691等工作后，该课题组在无铅介电储能陶瓷领域取得的又一重要进展。

该项研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

Chemical Engineering Journal (420) 2021 130475.

论文链接:：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130475