科研成果

近日，刘岗教授课题组在钛酸钡基弛豫铁电体陶瓷研究领域取得进展。相关成果以“Energy storage performance of BaTiO₃-based relaxor ferroelectric ceramics prepared through a two-step process”为题再次发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。西南大学为该成果第一完成单位，重庆大学和西安交通大学为共同完成单位。

钛酸钡（BaTiO₃, BT）陶瓷是电子陶瓷的工业支柱，但因大的剩余极化（P_r）和低的介电击穿场强（BDS），造成其储能密度非常有限，难以满足电力电子设备小型化、轻量化的发展要求。为提高钛酸钡基陶瓷的储能密度，该工作利用固溶、掺杂手段破坏了铁电宏畴（纳米畴工程），有效降低了剩余极化和矫顽电场，并结合工艺优化提高了陶瓷的击穿电场强度，从而极大地提高了BT基无铅陶瓷的储能性能。

Sr_0.7Bi_0.2TiO₃固溶在BT中破坏其铁电体长程有序，Nd³⁺的进一步掺杂增强陶瓷的弛豫性，降低介电损耗，明显改善其储能性能。用VPP工艺代替传统的制备工艺后，陶瓷的致密度显著提高，使BDS大幅提高。采用“两步法”策略制备的(Ba_0.65Sr_0.245Bi_0.07)_0.99Nd_0.01TiO₃（BT-SBT-Nd_VPP）陶瓷在460 kV/cm下获得了4.2 J/cm³的超高储能密度，且其在300 kV/cm下具有良好的温度（30~100℃）和频率（10~400 Hz）稳定性（W_rec = ~2.6 J/cm³）。此外，该陶瓷在30～150℃和350 kV/cm电场下具有优异的脉冲性能。

该工作也是继 Chemical Engineering Journal 398 (2020) 125625、Chemical Engineering Journal 412 (2021) 127555、Journal of Materiomics 6 (2020) 677-691、Journal of the European Ceramic Society 39 (2019) 3057-3063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面上项目、重庆市基础研究与前沿技术项目资助和电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题的资助。

Chemical Engineering Journal 2021 (419) 129673.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129673