高儲能密度和高可靠性電介質(zhì)儲能材料在各種電力、電子系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，特別是在高能脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的應(yīng)用。相關(guān)器件及產(chǎn)品正朝小型化、輕型化及多功能方向發(fā)展，對器件的儲能密度提出了更高的要求，而提高器件儲能特性的關(guān)鍵在于開發(fā)出具有高儲能密度的電介質(zhì)材料。應(yīng)用反鐵電(AFE)陶瓷材料，諸如鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)體系、鈮酸銀(AgNbO3)等，利用電場誘導(dǎo)的反鐵電-鐵電相變被認為是提高電介質(zhì)材料能量密度的有效方法。然而，與反鐵電-鐵電相變相關(guān)的高能量損耗(效率低)和較差的可靠性是限制反鐵電陶瓷應(yīng)用的主要問題。

近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)院徐卓教授課題組李飛副教授指導(dǎo)學(xué)生，在(Na0.5Bi0.5)TiO3-(Sr0.7Bi0.2)TiO3(NBT-SBT)體系無鉛電介質(zhì)陶瓷中同時獲得了高儲能密度和儲能效率。其主要原理是利用A位異價陽離子來破壞反鐵電材料偶極子的長程有序，實現(xiàn)反鐵電材料在納米尺度上的結(jié)構(gòu)不均勻，降低極化強度相對于電場的滯后，從而提高材料的儲能效率。基于NBT-SBT體系，課題組利用流延工藝制備了多層陶瓷電容器(MLCC)，其儲能密度和效率分別達到9.5Jcm-3和92%。同時，該電容器在-60~120oC 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，儲能密度變化率小于10%，并且在充放電100萬次后器件儲能密度僅下降8%。這些特性表明NBT-SBT多層陶瓷電容器有望在高能量儲能領(lǐng)域得到應(yīng)用。

左：NBT-SBT多層陶瓷電容器截面SEM照片 中、右：NBT-SBT多層陶瓷電容器儲能特性實驗測試結(jié)果、疲勞實驗結(jié)果

該研究成果近日在材料科學(xué)領(lǐng)域著名期刊 Advanced Materials(IF=21.95)上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)電信學(xué)院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室博士生李景雷為本文的第一作者，李飛副教授與澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授為本文的共同通訊作者，西安交通大學(xué)是本文的第一署名單位。這是近年在徐卓教授課題組繼 Nature Materials, Nature Communications, Advanced Functional Materials 之后發(fā)表的又一篇高水平文章，標志著西安交通大學(xué)在電介質(zhì)儲能研究處于國際領(lǐng)先水平。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、“111引智計劃”(B14040)等項目的支持。