在适当的电场作用下，(1-x)(0.6Na0.5Bi0.5TiO3-0.4Sr0.7Bi0.2TiO3)-xBa0.6Ag0.4Mg0.2Nb0.8O3陶瓷材料展现了优异的能量存储性能

时间：2026年2月1日

来源：Materials Science in Semiconductor Processing

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钛酸钡钠锶陶瓮中引入铌镁氧陶瓷（BAMN）可优化晶结构，促进极化纳米域（PNRs）发展，实现230 kV/cm电场下3.25 J/cm³储能密度和82.15%效率，同时具备优异热稳定性（20–160°C）及宽频（1–500 Hz）和抗疲劳（10⁵次循环）性能。

赵年顺|卢莎|胡娟|高琴|王莉|孙泰明|鲍杰|郑晓凡|郑莉

黄山大学先进材料与智能制造研究中心，中国黄山，245000

摘要

介电陶瓷具有高功率密度和快速充放电速度等优点，但其在中等电场下的有限能量存储性能（ESP）限制了其应用。在本研究中，将Ba_0.6Ag_0.4Mg_0.2Nb_0.8O₃（BAMN）引入0.6Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.4Sr_0.7Bi_0.2TiO₃（NBT-SBT）基体中。系统研究了BAMN对晶体结构、微观形态和电性能的影响。结果表明，添加BAMN可以减小晶粒尺寸并促进极性纳米畴（PNRs）的发展。当x=0.09时，样品在230 kV/cm的电场下表现出3.25 J/cm^{3W_{rec）和82.15%的效率（η），同时在20–160°C的温度范围内具有出色的热稳定性，在1至500 Hz的频率范围内性能稳定，并且具有高达10⁵次的抗疲劳性。此外，当x=0.09时，该陶瓷在160 kV/cm的电场下还具有较短的放电时间（t_{0.9 = 49.2 ns）、较大的电流密度（C_{D = 1078.6 A/cm²）和功率密度（P_{D = 86.3 MW/cm³）。这些发现为开发具有优异ESP的新型无铅陶瓷开辟了新的途径。}}}}}

引言

随着社会经济的快速发展，各行各业对先进储能装置的需求日益增加。与其他储能装置相比，介电陶瓷因其高P_D、短t_0.9以及优异的温度和频率稳定性而受到青睐[1]。然而，其相对较低的W_{rec和η在一定程度上限制了其应用[2]。能量密度（W）、η和W_{rec使用以下公式计算： $W = \int_{0}^{P_{\max}}$ $W_{r e} = P_{r} P_{\max} E d P$ $η = \frac{W}{W_{r e}} \times 100 %$ 其中P_max、E, P_r分别表示峰值极化、施加的电场和残余极化[3]。根据这些公式，提高陶瓷的ESP需要优化关键参数，包括高击穿强度（E_b）、P_max和低P_r。基于铅的材料因其良好的环境稳定性而受到广泛研究，包括Na_0.5Bi_0.5TiO₃（NBT）、BaTiO₃（BT）、BiFeO₃（BF）、K_0.5Na_0.5NbO₃（KNN）等[4],[5],[6],[7]。相比之下，NBT陶瓷因其高居里温度、强的介电行为、强烈的铁电性质和低烧结温度而具有吸引力[8]。然而，NBT陶瓷的ESP受到高漏电流、大的P_r和较低的E_b的限制。}}

为了提高ESP，已经进行了大量研究。刘等人将0.9Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.1SrAl_0.5Nb_0.5O₃引入CaTiO₃中，在700 kV/cm的电场下获得了8.71 J/cm^{3W_rec和93.5%的η[9]。余等人合成了0.75(0.94Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-0.25CaTiO₃无铅陶瓷，在520 kV/cm的电场下获得了6.62 J/cm^{3W_rec[10]。朱等人报道的0.90(Bi_0.5Na_0.5)0.65Sr_0.35TiO₃-0.10Bi(Mg_0.5Zr_0.5)O₃陶瓷在522 kV/cm的电场下达到了8.46 J/cm^{3W_rec和85.9%的η[11]。显然，提高E_b可以有效增强陶瓷的ESP。然而，高电场会带来严格的环境限制，可能限制其实际应用。因此，迫切需要有效的策略来在低电场下提高ESP。王等人在0.8Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.2Sr_0.7Bi_0.2Ti_0.8Hf_0.2O₃陶瓷中获得了2.53 J/cm^{3W_rec和84.8%的η，电场为219 kV/cm[12]。吕等人制备了KNN改性的NBT-BT陶瓷，在x=0.1时，W_{rec为2.81J/cm^3E<250} kV/cm时，它们的W_rec仍低于3 J/cm³}}}}

作为钙钛矿结构的弛豫铁电材料，Sr_0.7Bi_0.2TiO₃（SBT）在较宽的温度范围内显示出扩散的介电最大值。高η的实现得益于低P_r和弱矫顽场的共存[14]。研究表明，将SBT添加到NBT陶瓷中会破坏长程铁电有序性，并促进PNRs的发展，从而增强其弛豫行为[15]。乔等人将SBT引入NBT中，细化了晶粒尺寸，将E_b从120 kV/cm提高到160 kV/cm，从而获得了2.2 J/cm^{3W_rec和85%的η[16]。曹等人用Ag_0.9Ca_0.05NbO₃改性NBT-SBT，在260 kV/cm的电场下获得了4.6 J/cm^{3W_rec和82%的η[17]。乔等人将AgNbO₃掺入NBT-SBT基体中，在x=0.05时，W_rec为3.62 J/cm^{3η达到89%[18]。因此，选择NBT-SBT作为基体。其中适量的NBT含量保持了高P_max，而40%的SBT成分同时抑制了P_r并提高了E_b。}}}

将多种阳离子掺入NBT-SBT基体中可能是降低P_r和获得延长P-E循环的可行方法。当掺杂离子进入陶瓷晶格时，会产生局部随机电场，改变局部偶极子的有序或无序状态，缩小PNRs的尺寸，进一步改善材料的性能[18]。与单一离子掺杂相比，复合离子掺杂提供了优化陶瓷电性能的更有效手段。这是因为复合离子之间的半径差异会导致晶格畸变，从而破坏铁电畴的长程有序排列，促进相的出现[19]。张等人设计了(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xBaMg_1/3Nb_2/3O₃陶瓷，通过使用(Mg_1/3Nb_2/3)⁴⁺在B位点诱导局部结构无序[20]。当x=0.15时，在155 kV/cm的电场下，W_rec（2.37 J/cm^{3η（81.5%）非常高。K. Banerjee等人合成了Na_0.5Bi_0.5Ti_1-x(Mg_1/3Nb_2/3)_xO₃陶瓷，结果表明Ti⁴⁺离子被(Mg_1/3Nb_2/3)⁴⁺阳离子取代，形成了更对称的结构，抑制了晶粒生长并引发了从铁电到弛豫铁电的转变[21]。韩等人制备了Ag_1-2xBa_xNbO₃陶瓷，发现Ba改性后晶粒尺寸减小，有效提高了介电常数（ε_r）并实现了更细的P-E循环[22]。}

受现有文献结果的启发，我们使用Ba_0.6Ag_0.4Mg_0.2Nb_0.8O₃来改性NBT-SBT。(1) 与Ti⁴⁺(2.50 Å^{3⁵⁺（3.10 Å^{3E_b[23]。(3) 用不同离子半径的多价阳离子（Ba²⁺、Ag⁺、Mg²⁺、Nb⁵⁺）替代可以增强晶格无序，破坏长程有序性，并诱导PNRs的形成[24]。结果表明，在230 kV/cm的电场下，x=0.09的样品实现了W_rec（3.25 J/cm³）和ƞ（82.15%）的同时增加。}}

实验过程

无铅陶瓷(1-x)(0.6Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.4Sr_0.7Bi_0.2TiO₃)-xBa_0.6Ag_0.4Mg_0.2Nb_0.8O₃（NBT-SBT-xBAMN，x = 0.00,0.03, 0.06, 0.09, 0.12）的制备采用了传统的固态合成方法，主要原料为Na₂CO₃(99.8 %)、Bi₂O₃(99.9 %)、TiO₂(99 %)、SrCO₃(99 %)、BaCO₃(99 %)、Ag₂O(99.7 %)、MgO(98.5 %)、Nb₂O₅(99.99 %)。在80°C下干燥24小时后，粉末经过称重并用酒精球磨。