Nano Energy |信息功能材料与器件团队在无铅储能陶瓷领域取得新进展

　　近日，我院郝继功副教授和同济大学翟继卫教授在电介质陶瓷储能领域取得新的研究进展，通过多尺度优化策略实现了SrTiO₃基无铅陶瓷的高储能性能与优异稳定性。相关成果以 “ Multi-scale collaborative optimization of SrTiO₃-based energy storage ceramics with high performance and excellent stability” 为题发表在《Nano Energy》(中科院1区、TOP期刊，2022年发布的影响因子达到19.069）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108275。

　　近年来，寻找和开发环境友好、符合可持续发展的高性能能量存储器件已经成为当前研究热点之一。其中，陶瓷电介质电容器具有功率密度高、充放电速度快、工作温度范围宽、稳定性好等特点，是储能材料的有力候选者。但是与电化学储能器件相比，陶瓷电容器较低的储能密度限制了它们的应用。因此，如何提高电介质储能陶瓷的储能性能是一项重要的任务。

　　该文通过多尺度优化策略实现了SrTiO₃基无铅陶瓷的高储能性能与优异稳定性。研究中，在SrTiO₃基体A位掺杂Na⁺、Bi³⁺离子，并引入具有大极化率的Ca²⁺离子，设计了高性能(Sr_{1- x - y -2 φ} Na _y Bi _x Ca _φ □ _φ )TiO₃ (简写为 z SNBCT，其中□代表Sr空位)陶瓷组分。通过组分优化，调节 z SNBCT陶瓷相变点至室温附近，在 z  = 0.2的样品中获得了优异的储能性能 (在440kV/cm电场下，有效储能密度 W _rec ~ 6 J/cm³，储能效率 η  ~ 92%)。在此基础上，采用两步烧结(TSS)和放电等离子烧结(SPS)的方法优化了0.2SNBCT陶瓷的显微结构，进一步提高了样品的击穿场强和储能效率。采用相场模拟和有限元分析手段研究了晶粒尺寸与击穿场强的关联性，建立了晶粒/晶界仿真模型，并阐明了细化晶粒提高击穿场强的微观机理。此外，0.2SNBCT陶瓷还具有优异的频率稳定性、热稳定性和循环稳定性，在脉冲功率电容器应用方面具有很大的潜力。

图1. 多尺度优化策略实现SrTiO₃基陶瓷高储能性能思路图

　　聊城大学为该论文第一署名单位，2020级硕士研究生刘璐璐为论文第一作者，郝继功副教授、李伟教授与同济大学翟继卫教授为论文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、山东省青创团队科技计划、山东省自然科学基金等课题的资助。该课题组近年来在Materials Science and Engineering R: Reports、Nano energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal和Journal of the European Ceramic Society等知名期刊发表多篇论文，积极推动了高性能无铅储能陶瓷材料的研发和应用。

(审核人：李伟）