韦悦周课题组：在无铅反铁电陶瓷储能方面研究取得重要进展

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电介质电容器具有极快的充放电速率和超高的功率密度，是一类极其重要的功率型储能器件，在电力电子、新能源汽车、以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。铌酸银基无铅反铁电陶瓷被认为是一种既环保又高效的介电电容器材料，然而大的反铁电—铁电相变回滞及较低的击穿强度导致了低的能量密度和效率，严重阻碍了其实际应用的进程。

      近年来，我院韦悦周教授团队罗能能副教授针对上述问题做出了卓有成效的研究。首先系统地提出通过异价A位离子取代工程来提高反铁电材料的储能密度的方法：（1）在A位引入高价阳离子，提高饱和极化强度；（2）降低A位离子的尺寸，稳定反铁电相；（3）选取具有高熔点的氧化物或碳酸盐作为掺杂体系，降低晶粒尺寸，提高击穿强度。成功设计出Ca掺杂的铌酸银陶瓷体系，将储能密度从1.8J/cm3提高到3.55J/cm3，且保持了良好的温度稳定性。该工作为高储能密度和高温度稳定性的反铁电材料的设计提供了新思路。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry C上（J. Mater. Chem. C, 2019,7, 4999. IF= 6.641, 一区），并被选为背封面论文。
       作为上述工作的进一步延伸，在铌酸银中引入具有更高价态和更小尺寸的Sm3+离子，将储能密度大幅度提高到5.2J/cm3，为该体系报道的最高值。通过XPS和Raman等测试手段证实Sm3+离子掺杂会产生氧空位和一定的原子无序状态，并结合唯象理论解释该体系具有超高储能密度的原因。相关工作发表在国际权威能源材料期刊Journal of Materials Chemistry A上（J. Mater. Chem. A,2019, 7,14118. IF=10.733，一区）。
      为了更深远地探索该材料的储能机理，近日该研究团队同时在铌酸银的A位和B位引入Sm3+和Ta5+离子，获得了具有超高储能密度的铌酸银材料(SmxAg1-3xNb0.9Ta0.1O3)。该材料展现了高达280kV/cm的击穿场强以及更高的反铁电稳定性，实现了4.87 J/cm3储能密度。通过XRD结构精修，揭示了更高的反铁电稳定性可能得益于A位和B位离子反向平行位移的减小。该研究为今后进一步发展和优化反铁电储能材料提供了理论参考。相关工作以“Ultrahigh energy-storage density in A-/B-site co-doped AgNbO3 lead-free antiferroelectric ceramics: insight into origin of antiferroelectricity”为题，发表于Journal of Materials Chemistry A (DOI: https://doi.org/10.1039/C9TA06457E) 。广西大学为第一完成单位，论文第一作者是我院硕士研究生韩凯，罗能能副教授为该论文的通讯作者。
       以上工作得到了国家自然科学基金，广西自然科学基金，广西创新驱动发展专项，广西有色金属及特色材料加工重点实验室主任基金以及清华大学重点实验室开放基金等项目的支持。

       该团队代表性论文链接
       https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta06457e
       https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta02053e
       https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/tc/c8tc06549g
       https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352847819300693
       https://ceramics.onlinelibrary.w ... /10.1111/jace.16309
       https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0272884218333820

       反铁电现象的陶瓷材料。主要由 PbZrO3或PbTiO3为基的固溶体 Pb (ZrTiSn) O3组成。当锆酸铅为主晶相时，需加入5%～15%的含铅 玻璃以促进烧结和提高耐电强度。具有双电滞回线，可用于制作反铁电电 容器、换能器和电压调节元件等。调节电场可达4kV/mm。反铁电陶瓷采用一般电子陶瓷工艺制造。由于其中含铅量较高，常用刚玉坩埚加盖密封烧成，以防止氧化铅高温挥发，烧成温度：1340℃左右。用这类材料制成的抗辐射储能电容器的储能密度可达0.3J/cm3以上，制作时常在瓷片电极附近的绝缘边上涂敷半导釉，可有效地防止绝缘边击穿，提高工作电压。还可用于制作高压电容器、高介电容器，以及换能器（实现电能与机械能转换）等。

      韦悦周，男，广西大学教授。1962年9月出生，博士生导师。1983年毕业于中南大学选矿专业，1984年留学日本，1990年获日本東北大学冶金工程专业博士学位。1992至2007年在日本产业创造研究所原子能化工研究中心工作，历任研究员、主任研究员、主席研究员、研究部长。2008年任日本东北大学加速器与同位素研究中心副教授，2009年升任教授。2010年6月作为特聘教授到上海交通大学工作，2013年起担任核科学与工程学院院长。北京大学兼职教授，中科院上海应用物理研究所客座研究员。2016年7月以“杰出人才”层次引进到广西大学资源与冶金学院，负责“广西大学金属资源高效利用及环境保护协同创新中心”的创建工作。