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科學家研制自組裝三弛豫-反鐵電納米復合電介質(zhì)，實現(xiàn)寬溫域儲能新突破

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-05-20 16:21:26

儲能電介質(zhì)是電能變換、脈沖功率及新能源汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵電力裝備的核心材料，其儲能性能直接影響電力裝備安全可靠運行水平，因此科研人員在提升電介質(zhì)材料儲能性能方面開展了大量研究。

近日，西安交通大學團隊在《先進材料》（Advanced Materials）上發(fā)布科研成果，論文第一通訊單位為西安交通大學電工材料電氣絕緣全國重點實驗室，徐靖喆博士、劉泳斌副教授、王棟教授為共同第一作者，高景暉教授與任曉兵教授為共同通訊作者，合作作者包括西安理工大學何立副教授，西安交通大學鐘力生教授、吳明副教授、姚睿豐博士、張楠教授、婁曉杰教授、李盛濤教授。

自組裝三弛豫-反鐵電納米復合結(jié)構(gòu)設計。西安交通大學供圖。

研究發(fā)現(xiàn)，三弛豫-反鐵電納米復合陶瓷(1-x)(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3-xBi1.5ZnNb1.5O7體系兼具高儲能密度、高儲能效率及儲能溫度穩(wěn)定性。性能最優(yōu)成分的三弛豫-反鐵電納米復合界面誘導出深陷阱，材料擊穿場強達到690kV/cm，極化強度達到27.5μC/cm2，儲能密度達到8.5 J/cm3，儲能效率達到94.5%；在200℃高溫下仍保持儲能密度>4.85 J/cm3，儲能效率>90%。這為兼具高儲能性能與溫度穩(wěn)定性的新一代高性能介電陶瓷的開發(fā)提供了新策略。

自組裝三弛豫-反鐵電納米復合結(jié)構(gòu)設計。西安交通大學供圖。

目前尚未解決的瓶頸問題是：室溫下性能良好的材料體系在高溫環(huán)境中的儲能性能顯著下降，導致其在設備運行溫升及高溫工作場景中難以可靠應用。這一瓶頸源于雙重高溫失效機制：高溫相變鐵電疇消失導致的極化強度衰減以及電導隨溫度指數(shù)級增長引發(fā)的漏電流和電擊穿，使得現(xiàn)有材料難以滿足高端介電儲能器件對高溫高可靠性的嚴苛需求。

針對這一挑戰(zhàn)，科研團隊提出了創(chuàng)新解決方案：在三臨界鐵電材料(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3中加入反鐵電誘發(fā)劑Bi3+、Zn2+、Nb5+，并控制燒結(jié)工藝使其在材料局部區(qū)域富集，形成納米尺度相分離的自組裝三臨界弛豫（三弛豫）-反鐵電納米復合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該方法設計的材料共格界面可引發(fā)深陷阱，克服了傳統(tǒng)納米電介質(zhì)界面不連續(xù)造成的缺陷效應，使得體系兼具寬溫域三弛豫相變導致的高極化強度以及溫升條件下高擊穿場強。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202502788

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