來源 | 上海硅酸鹽研究所
隨著不可再生能源的不斷消耗和環境問題的日益嚴峻，開發和利用高性能、環保型儲能材料成為當前科技和產業界的研究熱點。介質儲能電容器因其具有功率密度高、充放電速度快、穩定性優異和製造成本低等優勢，在汽車電子、通信、航空、航天和尖端技術等領域顯示出巨大的應用前景。
近年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所董顯林團隊開展了儲能電容器用新型無鉛介質材料的研究工作，並取得系列研究成果。該團隊以鈦酸鋇（BaTiO3）為基體，設計併合成了一種新型高性能BaTiO3基弛豫鐵電體（BaTiO3-Bi(Zn1/2Sn1/2)O3）儲能介質材料。通過在BaTiO3基體中引入Bi(Zn1/2Sn1/2)O3，形成A位、B位離子無序，破壞了鐵電長程有序，將鐵電疇轉化為極性納米微區。利用極性納米微區在外加電場下的快速響應，顯著提高材料的儲能密度和儲能效率。該介質材料不僅兼具高儲能密度（2.41 J/cm3）和高儲能效率（91.6%），而且其儲能特性還表現出優異的溫度（20~160℃）、頻率（1~1000Hz）和疲勞（105次循環）穩定性，可滿足X8R電容器的要求。相關研究闡明瞭儲能特性的高穩定性來源於極性納米微區的“弱耦合弛豫行為”。該工作以Hot Paper的形式發表在Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C, 2018,6, 8528-8537)上。
小型化和輕量化一直是儲能電容器的重要發展趨勢。為此，該團隊聚焦尚無文獻報道的鈮酸鈉（NaNbO3）體系。NaNbO3的體積密度僅為4.55g/cm3，相比鐵酸鉍(8.37g/cm3)、鈦酸鋇(6.02g/cm3)、鈦酸鉍鈉 (5.977g/cm3)等其它無鉛介質材料體系，它在儲能電容器的輕量化方面具有明顯的優勢。然而，電場誘導的亞穩態鐵電性和鹼金屬鈉元素揮發導致的耐電強度低制約了NaNbO3在儲能方面的應用。該團隊先後採用順電體調控和A位空位策略來增強NaNbO3的儲能特性，構築了兩種新型的NaNbO3基儲能介質陶瓷材料：NaNbO3-SrTiO3和Na1-3xBixNbO3。這兩種NaNbO3基儲能介質陶瓷材料均表現出了優異的儲能特性、充放電特性及穩定性，其中Na1-3xBixNbO3的綜合儲能特性（儲能密度：4.03J/cm3、儲能效率：85.4%、功率密度：62.5 MW/cm3）為目前文獻報道的最優值。該工作為NaNbO3材料開闢了新的應用方向，同時也為設計高儲能無鉛介質材料提供了新的方法和思路。相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2018,6, 17896-17904)和ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10, 12755-12765）上。
以上系列研究工作的論文第一作者是博士研究生周明星，論文共同通訊作者為研究員董顯林和梁瑞虹。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc03003k#!divAbstract
新型鈦酸鋇基弛豫鐵電體的儲能和充放電特性
幾種典型無鉛介質材料體系的體積密度對比圖（左）和Na1-3xBixNbO3綜合儲能特性與文獻對比圖（右）
