高儲(chǔ)能密度和高可靠性電介質(zhì)儲(chǔ)能材料在各種電力、電子系統(tǒng)中扮演著越來(lái)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(duì)器件的儲(chǔ)能密度提出了更高的要求，而提高器件儲(chǔ)能特性的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)出具有高儲(chǔ)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(chǎng)誘導(dǎo)的反鐵電-鐵電相變被認(rèn)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(wèn)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(wú)鉛電介質(zhì)陶瓷中同時(shí)獲得了高儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。其主要原理是利用A位異價(jià)陽(yáng)離子來(lái)破壞反鐵電材料偶極子的長(zhǎng)程有序，實(shí)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(qiáng)度相對(duì)于電場(chǎng)的滯后，從而提高材料的儲(chǔ)能效率?；贜BT-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(chǔ)能密度和效率分別達(dá)到9.5Jcm-3和92%。同時(shí)，該電容器在-60~120oC 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，儲(chǔ)能密度變化率小于10%，并且在充放電100萬(wàn)次后器件儲(chǔ)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?jī)?chǔ)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(chǔ)能特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、疲勞實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)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(biāo)志著西安交通大學(xué)在電介質(zhì)儲(chǔ)能研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平。