固態(tài)介質(zhì)電容器因其高功率密度和超快充放電速率而受到人們的高度關(guān)注。然而，其儲能密度往往較小，且往往易受儲能效率以及熱穩(wěn)定性的制約。

（來源：微信公眾號“MaterialsViews” ID：materialsviews）

低儲能效率意味著更多的電能被轉(zhuǎn)化為熱能，從而容易引起電容器在服役中失效。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)同時具有高儲能密度、高效率和性能穩(wěn)定的儲能介質(zhì)材料就至關(guān)重要。

弛豫鐵電體和反鐵電體陶瓷因能同時獲得高飽和極化強(qiáng)度和近零剩余極化強(qiáng)度而具有實(shí)現(xiàn)優(yōu)異儲能性能的潛力。盡管反鐵電陶瓷電容器的能量密度值近年來不斷有新突破，但是其相應(yīng)的儲能效率仍不理想。相關(guān)于反鐵電陶瓷而言，弛豫鐵電體容易獲得高的儲能效率，然而相對較高的介電常數(shù)往往伴隨其較低的介電擊穿強(qiáng)度。因此，目前文獻(xiàn)報(bào)道的弛豫鐵電陶瓷的儲能密度值普遍較低。

合肥工業(yè)大學(xué)左如忠教授課題組針對這一問題，進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，利用巧妙的組成設(shè)計(jì)，突破了高性能介質(zhì)陶瓷中儲能密度和效率相互制約的瓶頸。該課題組近期在前期大量工作的基礎(chǔ)上開展了針對性的研究，成功設(shè)計(jì)和合成了BiFeO3-BaTiO3-NaNbO3三元系無鉛鈣鈦礦鐵電固溶體陶瓷。一方面因禁帶寬度的增大、晶粒細(xì)化以及電阻率的提高，體系的介電擊穿強(qiáng)度顯著提高；另一方面，伴隨組成調(diào)控介電弛豫程度明顯增強(qiáng)，電疇結(jié)構(gòu)逐漸由宏疇演變?yōu)榧{米電疇。利用壓電力顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡觀測到局域結(jié)構(gòu)不均勻的納米微區(qū)結(jié)構(gòu)，形成了對電場幾乎無滯后的極化響應(yīng)和對溫度不敏感的高介電響應(yīng)，為同時獲得高儲能密度、高儲能效率和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性供應(yīng)了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并最終制備出性能優(yōu)異的儲能電容器，具有超高的放電儲能密度~8.12 J/cm3、高儲能效率~90%、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性（(±10%, -50~250oC）以及超快放電速率（t0.9<100 ns）。相關(guān)工作在線發(fā)表在Advanced Energy Materials（DOI:10.1002/aenm.201903338）上。

該工作利用弛豫鐵電體的高儲能效率和優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的優(yōu)勢，以及鐵酸鉍材料的超高自發(fā)極化強(qiáng)度，并通過高禁帶寬度的鈮酸鈉對局域納米疇結(jié)構(gòu)不均勻性、介電弛豫特性、微觀形貌和電阻率等進(jìn)行調(diào)控。研究者相信，這一組成設(shè)計(jì)理念和研究成果為設(shè)計(jì)下一代高性能脈沖功率儲能電容器供應(yīng)新的技術(shù)思路和理論指導(dǎo)。

原標(biāo)題:AEnM：同時具有超高能量密度和儲能效率的無鉛鐵電陶瓷電容器