J EUR CERAM SOC：AgNbO3基反铁电陶瓷储能性能的协同优化

一、【导读】

电介质电容器具有结构简单、工作电压大（通常超过数千伏特）、功率密度高（可至兆瓦量级）、充放电速度快（纳秒量级）等优点，在高功率系统和脉冲系统中有着重要的作用。反铁电材料（antiferroelectrics，AFE）作为一种电介质材料，由于具有独特的双电滞回线使得其在储能领域具有很好的应用潜力。

在众多反铁电材料中，AgNbO₃具有极化强度大、无易挥发碱金属元素、无铅环保等优点，在反铁电储能陶瓷领域占有重要地位。但AgNbO₃陶瓷材料致密度低、介电击穿强度低、存在剩余极化等缺点，导致其储能密度和效率不高。已有研究表明，通过对AgNbO₃进行成分改性（A/B位掺杂或组分固溶）能够在一定程度上改善其储能性能。然而这种单一的化学取代对于AgNbO₃陶瓷的储能性能还存在很大的提升空间。

本文以(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)NbO₃为研究对象，通过多尺度协同设计对AgNbO₃陶瓷储能性能进行了调控：在介观尺度上，使用水热法合成了具有颗粒小、活性高的AgNbO₃粉体，制备的陶瓷晶粒小，介电击穿强度高；在纳观尺度上，在A位掺杂Bi³⁺和Sr²⁺的基础上，在B位采用Ta⁵⁺部分取代Nb⁵⁺，减小容差因子和极化率，增强反铁电性；除此之外，还引入变价元素Mn来降低漏电流密度，实现储能性能的协同优化。

二、【成果掠影】

通过多尺度协同设计制备的AgNbO₃陶瓷，在(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷中实现了729 kV/cm的高介电击穿强度E_b，8.5 J/cm³的高可恢复储能密度W_rec和75.6%的良好储能效率η。同时，Ta⁵⁺的引入优化了陶瓷高温下的能量效率。该研究成果以“(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃ceramics with enhanced energy storage for high-temperature application via synergic optimization”为题发表于欧洲陶瓷学会杂志（Journal of the European Ceramic Society）上，南京工业大学胡秀兰教授、南京航空航天大学王婧教授和南京理工大学张骥教授为共同通讯作者，南京工业大学材料科学与工程学院硕士研究生王络为第一作者。

三、【核心创新点】

（1）多尺度协同优化提升AgNbO₃陶瓷储能性能。

（2）Ta⁵⁺降低了M₃-O相变的温度，从而在高温下可以保持甚至提高其优良的储能性能。特别是在140 ℃条件下，储能效率达到83.5%，大大克服了(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)NbO₃陶瓷在高温条件下的效率衰减问题，在AgNbO₃基储能陶瓷中位于前列。

四、【数据概览】

图1 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a）XRD图谱；（b）在46°附近的放大图和（c）拉曼图谱

图2 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a-e）表面SEM图像和（f）晶粒尺寸对比；（a）x=0.00；（b）x=0.07；（c）x=0.10；（d）x=0.15；（e）x=0.20

图3 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a-e）介电温谱图和（f）在1 kHz室温下介电常数ε_r和介电损耗tanδ对比

图4 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷的（a）韦伯分布；（b）540 ℃阻抗谱；（c）晶界电导率和（d）介电击穿强度E_b、导电激活能E_a和晶粒尺寸对比。（b）中插图为晶粒和晶界等效电路

图5 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_1-xTa_x)O₃陶瓷在近击穿电场下的（a）单极P-E曲线；（b）反铁电-铁电相变电场E_F，铁电-反铁电相变电场E_A，∆E，饱和极化强度P_max，剩余极化强度P_r，∆P；（c）可恢复储能密度W_rec与储能效率η的变化和（d）(Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷与近期报道的无铅储能陶瓷性能对比

图6 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷在370 kV/cm电场（50%E_b）下（a）20 ℃-140 ℃范围内的温度稳定性和（b）对应W_rec与η的变化；（c）1 Hz-200 Hz范围内的频率稳定性和（d）对应W_rec与η的变化；（e）1-10⁵次的循环稳定性和（f）对应W_rec与η的变化

图7 (Ag_0.80Bi_0.04Sr_0.04)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃陶瓷的（a）不同电场下放电电流曲线和（b）不同电场下过阻尼放电测试©

五、【成果启示】

为了在介电陶瓷中获得更优的储能性能，应综合考虑极化强度（提高饱和极化强度P_max或降低剩余极化强度P_r）、相变电场（提高相变电场E_F和E_A）以及介电击穿强度（提高烧结质量，减小晶粒尺寸）等因素，利用多尺度，多手段的协同作用，提高储能密度和效率。同时，还应关注并改进实际应用中陶瓷的性能表现。

原文详情：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.12.036

本文由作者供稿