西安交大電信學部科研團隊在Nature子刊上發(fā)表NaNbO3基儲能陶瓷最新進展，電介質電容器具有非常高的功率密度和超快的充放電速率被廣泛應用于混合動力汽車、脈沖電源系統(tǒng)等眾多領域。但是其低能量存儲密度（Wrec）及低充放電效率（h）嚴重阻礙了它們在電子器件小型化、輕量化和集成化方面的發(fā)展。NaNbO3（NN）基陶瓷材料，作為無鉛反鐵電體系的代表，由于其寬帶隙（~ 3.45 eV）、高極化強度（~ 40 mC·cm-2）和小體積密度（~ 4.55 g·cm-3），在儲能電容應用領域表現(xiàn)卓越。

圖1 (1-x)NN-xBi(Ni0.5Hf0.5)O3陶瓷的理論極化矢量分布、P-E曲線（相場模擬）及實驗局域結構表征。

本工作中提出在反鐵電NN體系中引入鐵電相，打破長程有序的反鐵電宏疇，降低疇之間的翻轉勢壘，從而提高弛豫特性，進一步優(yōu)化能源存儲性能的研究思路。本工作中首先采用相場法模擬了(1-x)NaNbO3-xBi(NiHf)O(NN-BNH)二元體系中微觀極化矢量的排布和宏觀電滯回線的變化，發(fā)現(xiàn)隨著客相BNH摻雜含量的增加，長程有序2×2正交反鐵電極化調制結構被逐漸打破成定向納米疇，同時伴隨著剩余極化的大幅度降低（如圖1左圖）。其次，球差電子顯微鏡（STEM）表明NN基體系中存在O型極性納米微區(qū)，大量具有多個局域無序特征的極化基體有助于不同尺寸的O型納米結構疇之間的過渡，類似于雪泥狀極性結構，且0 ~ 120°范圍內(nèi)的極化矢量占比為88.3%，遠高于其它角度范圍（120 ~ 360°）的11.7%，因此將其定義為定向類雪泥狀極性結構，這有利于提高Wrec和h；二維固體核磁（2D NMR）表明0.15 mol BNH的客相成分進入主相NN基體后，導致Na(1)位點畸變較小，局域結構更加無序，這進一步證明該成分處于弛豫狀態(tài)（如圖1右圖）。

圖2 NN-0.15BNH組分MLCC在不同測試條件下（電場和溫度）的儲能特性。

隨后，采用這種定向類雪泥狀極性結構設計策略制備出NN基多層陶瓷電容器（MLCC），在x=0.15組分的MLCC中獲得了14.1 J·cm-3的高儲能密度和96.8%的超高儲能效率，且在700 kV·cm-1電場下寬溫（20-150 ℃）范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性（變化率小于±6.15%），展現(xiàn)出了該陶瓷電容器的巨大應用潛力，如圖2所示。

該研究成果以“具有定向類雪泥狀極性結構設計的無鉛NaNbO3基弛豫體的超高能量存儲”（Ultra-high energy storage in lead-free NaNbO3-based relaxors with directional slush-like polar structures design）為題，在國際知名期刊《自然通訊》（Nature Communications，IF=14.7）在線發(fā)表。西安交通大學電信學部電子科學與工程學院博士生王震濤為第一作者，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授、徐諦明助理教授、趙維琛博士、前沿院何利強助理教授和王棟教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃子課題項目、陜西省國際合作項目等項目的資助，西安交通大學國際電介質研究中心提供了大量測試表征支持。