Journal of the European Ceramic Society 信息功能材料与器件团队实现新型钛酸钡基陶瓷的超高击穿强度和超快放电速度

　　近日，我院李伟教授课题组与同济大学翟继卫教授合作在 Journal of the European Ceramic Society 发表了题为“ Realizing ultrahigh breakdown strength and ultrafast discharge speed in novel barium titanate-based ceramics through multicomponent compounding strategy ”的研究论文，通过多组分复合策略实现新型钛酸钡基陶瓷的超高击穿强度和超快放电速度。

　　在新型无铅介质陶瓷中实现超高击穿强度和超快放电速度已成为储能领域的一个重要研究领域。本文提出了0.9[0.88Ba_1-xCa_xTiO₃-0.12Bi(Mg_2/3(Nb_0.85Ta_0.15)_1/3)O₃]_0.1Bi_0.5Na_0.5TiO₃陶瓷多组分复合的协同优化策略。随着Ca²⁺含量(x)的增加，CaTiO₃相含量增加，击穿强度(BDS)和储能性能明显增强。B0.6C0.4TBMNT-的储能性能最佳，BNT陶瓷在430 kV/cm时表现出3.59 J/cm³的可逆能量密度(W_rec)和90.86%的超高效率(η)。同时，B0.6C0.4T-BMNT-BNT材料还表现出良好的温度稳定性(20-180°C)，频率稳定性(1-500 Hz)和抗疲劳性(1-10⁵循环)。此外，B0.6C0.4T-BMNTBNT陶瓷在充放电测试中也具有超快放电时间(t_0.9 = 38.6 ns)。上述优点使B0.6C0.4T-BMNT-BNT陶瓷成为脉冲电源宽温介质电容器的有前途的候选材料。

　　图1提高BT基陶瓷储能性能的多组分复合策略示意图

　　细长的P-E曲线证实了典型的弛豫铁电特性。良好的线性度对于高W_rec也很重要，如图2(b)中的单极P-E环所示。随着外加电场的增大，P_max单调增大，而P_r保持较低的值，有利于实现大的ΔP值，获得高能量密度。从单极体系中得到了B_1-xC_xT-BMNT-BNT陶瓷的储能参数相关参数W_total, W_rec, W_loss，η。的W_rec随BNT陶瓷中Ca的含量增加趋于增大，x含量增加到0.4时候达到最大值为3.59 J/cm³,然后随着x含量的增加而降低。当x含量> 0.4后，P_max和P_r随之减少，从而使得BDS减小，W_rec也相应减小。这个现象可以归因于PNRs和CaTiO₃相的形成。可逆储能密度W_rec是由于ΔP和BDS之间的平衡。在x = 0.4陶瓷中以430 kV/cm的电场下获得最高W_rec值为3.59 J/cm3，η值为90.86%。图2(f)展示了我们的样品与其他报道材料储能性能(W_rec和η)的比较。很明显，在我们的样品中获得的W_rec和η的储能性能在其他许多报道的陶瓷体系中处于优势地位。　　

　　聊城大学2019级硕士研究生孙铭泽（现在南京大学攻读博士学位），为该论文的第一作者，李伟教授、郝继功副教授为该论文的通讯作者，聊城大学为第一署名单位。该研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省青年创新团队的支持。