陈莹、董显林、王根水等：钛酸钡基铁电陶瓷研究取得新进展

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钛酸钡基铁电陶瓷具有高功率密度、高耐电强度和充放电速度快等优点，在电力电子和脉冲功率系统中具有重要应用。介质陶瓷的有效介电常数（ΔP/ΔE）和耐电强度（BDS）本征上相互制约，当前研究主要是通过降低有效介电常数，提高耐电强度或提升有效介电常数来补救储能密度的降低，制约了高功率脉冲储能器件向轻量化、小型化的发展。如何获得宽温范围内高而稳定的储能密度是高功率储能器件应用必须解决的问题。
　　中国科学院上海硅酸盐研究所铁电陶瓷材料与器件研究团队提出一种新的陶瓷设计策略，缓解BDS与ΔP/ΔE的相互制约，在不影响储能效率的前提下实现了储能密度提高。以钛酸锶钡（BST）为基，在A位引入Bi3+增强极化率，提高有效介电常数；同时采用两步合成粉体方法，调控离子扩散，构筑“核壳”结构晶粒，有效延长击穿路径，陶瓷耐电强度从460 kV/cm提高到550 kV/cm。ΔP/ΔE和BDS的协同提升提高了介质陶瓷的储能性能：储能密度5.92 J/cm3，储能效率81%，相关结果发表在Chemical Engineering Journal (2022)上。

通过核壳结构工程和组分设计突破有效介电常数与耐电强度间的矛盾，实现储能性能大幅度提升

0.93Ba0.55Sr0.39Zn0.06TiO3-0.07BiMg2/3Nb1/3O3陶瓷的（a）P-E回线（最高耐受电场下），（b）储能性能随电场的变化曲线，（c）TEM暗场像，（d）介电温谱。

BSBNTH陶瓷不同温度(3a,3b)、不同频率(3c,3d)、不同外场循环次数(3e,3f)下P-E曲线、储能密度和储能效率。

　　同时，介质陶瓷的储能效率和外场下储能性能稳定性在工程应用中至关重要。通过在B位引入Hf离子取代Ti离子，降低了铁电陶瓷极性纳米微区尺寸、活性、数量和相互偶极作用力，抑制了载流子跃迁，提高了材料的禁带宽度、电阻率和击穿强度，改善了BST陶瓷的介电非线性和极化滞后，极化损耗显著降低，储能效率和介电性能温度稳定性大幅提升。获得了兼具高储能密度（Wrec =5.47 J/cm3）和储能效率（η = 90.6% ）无铅铁电陶瓷，该陶瓷在宽温范围 (-95-125 ℃)展现优异的储能温度稳定特性。研究成果发表在Journal of Materials Chemistry C（2022）上。
　　该研究工作得到了国家自然科学基金项目、中国工程物理研究院、中国科学院重点部署和国际合作项目资助。两篇文章的第一作者分别是上海硅酸盐所在读博士生黄伟和杨帆，通讯作者为陈莹高级工程师、董显林研究员、王根水研究员。
　　文章链接:  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135523，https://doi.org/10.1039/D2TC00619G
        文章来源：上海硅酸盐所
      董显林，男，1965年10月生，江西南康人，博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。现任中国科学院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心主任，中国科学院无机功能材料与器件重点实验室主任。1986毕业于湖南大学化学化工系；1989年毕业于中国科学院合肥等离子体物理研究所凝聚态物理专业，获硕士学位；1992年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所无机非金属材料专业，获工学博士学位。1996年作为日本学术振兴会(JSPS)客座研究员在日本筑波大学物理工学系开展合作研究。
       王根水，男，1974年1月出生，理学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。1995年获得安庆师范学院化学教育专业学士学位，1998年在北京工业大学获得无机非金属材料专业硕士学位，2003年在中国科学院上海技术物理研究所获得博士学位，2003～2005年在法国国家科研中心微电子电子及纳米技术研究所（CNRS－IEMN）进行博士后研究，2006年度中国科学院“百人计划”。负责与参加国家自然科学基金、科技部863、973及上海市青年科技启明星等10多个科研项目，多年来一直从事铁电、压电、热释电材料制备及其表征研究方面的工作，在APL、JAP、JACerS等SCI期刊上发表论文100多篇，申请中国发明专利10项，授权6项。有关铁电材料生长控制、铁电物理及测试分析等方面的相关研究结果已被引用400多次。被邀请作为J. Am. Ceram. Soc. 特约编辑以及Appl. Phys. Lett. Appl. Sur. Sci. J. Am. Ceram. Soc. 等国际期刊审稿人。获得2008年度中国科学院上海硅酸盐研究所青年才俊奖。