中国粉体网讯 1746年，荷兰科学家Pieter van Musschenbroek发明了世界上最原始形式的电容器储能装置——莱顿瓶。莱顿瓶是一个玻璃容器，内外包覆着金属箔作为极板，瓶中插入一根金属导电棒，上端为球形电极，下端连接容器内侧金属箔，这就构成了以玻璃瓶为电介质的电容器。后来人们发现，只要两个金属板中间隔一层绝缘体就可以制成电容器，而并不一定要制造莱顿瓶一样的装置，自此拉开了电容器介质材料的研究序幕。而后，储能电容器介质材料又经历了从“油”到“水”，再到固态电介质的数次重大突破。
Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)作为陶瓷基储能电介质材料的典型代表，存在独特的外场诱导反铁电相到铁电相的相变行为，相变过程伴随着巨大的能量存储与释放。Pb基陶瓷介质无论是块体还是薄膜材料都具有良好的储能性能，部分材料已被工业生产。但是，Pb基陶瓷中PbO(或Pb3O4)的强毒性以及在烧结过程中的高挥发性使得铅基陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中对人体和生态环境造成严重危害。为了保持人类社会和生态环境的协调发展，近年来，国内外学者将研究重点转向了无铅储能陶瓷介质材料。
近10年来，无铅储能陶瓷储能特性研究进展迅速，储能密度不断取得新突破。其中，NaNbO3无铅陶瓷具有低的理论体积密度、高的潜在极化强度，并具有环境友好的特性，因而该体系日益受到关注。但是，迄今NaNbO3基无铅储能陶瓷仍然面临如何同时获得高储能密度和高储能效率的研究挑战。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所与同济大学合作，利用铁电畴和能带工程的协同优化策略，有效提高了NaNbO3基无铅储能陶瓷的综合性能。通过在NaNbO3基体的A位引入异价Bi3+离子、在B位引入Ta5+离子，获得了具有纯钙钛矿结构的Na0.7Bi0.1Nb1-xTaxO3（NBNTx）无铅储能陶瓷。陶瓷中所形成的A、B位离子无序和A位离子空位，引起局域无规场，打破了长程有序结构，形成了高活性极性纳米微区PNRs，从而降低了体系剩余极化强度，提高了其储能效率。同时，Ta的掺杂也有利于提高陶瓷的禁带宽度，显著降低了平均晶粒尺寸，进而提高了陶瓷的击穿场强，在530kV/cm的电场作用下，Na0.7Bi0.1Nb0.9Ta0.1O3陶瓷获得了高储能密度（Wrec=7.33J/cm3）和高储能效率（η=83.68%）。该陶瓷同时表现出优异的稳定性和充放电特性(t0.9=60ns,PD=320.21MW/cm3)。研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A，doi.org/10.1039/D2TA02534E。
论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生杨伟伟，通讯作者为曾华荣研究员和同济大学翟继卫教授。相关研究工作得到了科技部重点研发计划和国家自然基金委面上项目等课题的资助和支持。
相关链接：https://doi.org/10.1039/D2TA02534E
(a-d) NBNTx陶瓷的P-E曲线，(e-f) NBNTx的储能特性
参考来源：
[1]上海硅酸盐所
[2]张光祖等.储能用无铅铁电陶瓷介质材料研究进展
