BUPT?北郵?
10月5日，?Nature子刊《Nature Communications》發(fā)表題目為“Ferroelectric tungsten bronze-based ceramics with high-energy storage performance via weakly coupled relaxor design and grain boundary optimization”的學(xué)術(shù)論文。論文由北京郵電大學(xué)理學(xué)院，信息光子學(xué)與光通信全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)材料學(xué)院，新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。第一作者為北京郵電大學(xué)博士生劉家銘，北京郵電大學(xué)理學(xué)院畢科教授、郭麗敏副教授等為本文通訊作者。（論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52934-x）。
在信息通訊、新能源汽車、脈沖激光等高頻高功率設(shè)備中，電容元件不可或缺，它被廣泛應(yīng)用在能量轉(zhuǎn)換、自動(dòng)控制等電路系統(tǒng)中。獲得具有高儲(chǔ)能密度及效率的電介質(zhì)材料，是提高儲(chǔ)能電容充放電速率，延長設(shè)備循環(huán)壽命的關(guān)鍵。
郵郵小課堂時(shí)間
在各種電路設(shè)備的主板中，電容元件占板面積在50%左右，例如手機(jī)主板電容1500顆左右、電動(dòng)汽車各部位用電容30000顆左右。因此，電容儲(chǔ)能密度的提高是實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、減重的關(guān)鍵。
相較于傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能（日常生活中大家熟悉的鋰電池就是典型的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備）而言，陶瓷儲(chǔ)能電容以耐高壓、高功率密度和高儲(chǔ)能效率聞名。目前儲(chǔ)能陶瓷儲(chǔ)能材料的研究主要集中于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電/反鐵電材料中。作為第二大類鐵電體，四方鎢青銅結(jié)構(gòu)（TBBs）陶瓷雖然也具有良好的鐵電和介電性能，但由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，在局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化上存在較大的困難，導(dǎo)致其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究很少得到關(guān)注且性能提升緩慢。
北郵師生長期以來對(duì)信息功能材料的多尺度結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控及其相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，并取得了一系列的進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)以高密度、高效率、高可靠性的儲(chǔ)能電容元件為目標(biāo)，以無鉛陶瓷材料為基礎(chǔ)，不斷改進(jìn)材料配方和設(shè)計(jì)思路，突破性地在鎢青銅結(jié)構(gòu)的陶瓷材料體系中獲得了優(yōu)越的儲(chǔ)能性能，打破了鈣鈦礦陶瓷在儲(chǔ)能電容中的固有壟斷地位，為儲(chǔ)能電容的材料設(shè)計(jì)帶來新的思路和方法。
圖：實(shí)驗(yàn)室教師指導(dǎo)學(xué)生展開研究
團(tuán)隊(duì)通過多尺度設(shè)計(jì)增強(qiáng)了鎢青銅陶瓷BaSrTiNb2-xTaxO9的弛豫行為，通過第二相（Ba0.5Sr0.5TiO3）在晶界處的析出以及B位Ta5+摻雜增加了離子無序性以及化學(xué)不均勻性，從而打破了長程有序的鐵電疇，誘導(dǎo)出對(duì)外場響應(yīng)迅速的極性納米微區(qū)，顯著降低了剩余極化強(qiáng)度。高耐火性的Ta摻雜顯著抑制了晶粒生長并提高晶界激活能，高絕緣和順電特性的第二相與主相晶粒形成局部“芯-殼”結(jié)構(gòu)，這些局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了體系的擊穿電場強(qiáng)度。最終在950kV/cm的電場下，BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷獲得了12.2 J/cm3的高儲(chǔ)能密度和89.5%的優(yōu)異儲(chǔ)能效率，是目前已報(bào)道的四方鎢青銅基陶瓷材料的最高儲(chǔ)能密度。此外，該陶瓷在頻率（0.1-100Hz）、溫度（25-160?oC）和循環(huán)電場（106次）下表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。本研究提出的多尺度材料優(yōu)化策略，特別是復(fù)相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為電介質(zhì)電容器研發(fā)提供了一種新的方法。
圖：本研究的設(shè)計(jì)思路和綜合性能對(duì)比
圖：BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷
微觀復(fù)相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成分分析和極化微區(qū)表征
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目前已經(jīng)發(fā)表的研究成果中四方鎢青銅陶瓷的儲(chǔ)能密度大部分在5 J cm-3以下，本研究獲得的材料儲(chǔ)能密度為12.2 J cm-3。這意味著，以此次研究成果為依托的儲(chǔ)能材料，可以使得相同儲(chǔ)能容量的器件體積減半。此外，器件過熱是減少壽命的重要原因，高儲(chǔ)能效率則是防止器件發(fā)熱的關(guān)鍵。因此，本研究成果將有助于推動(dòng)于電路的小型化、集成化，延長電路系統(tǒng)使用壽命。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（北郵本科招生）：Nature 子刊發(fā)文丨北郵人新突破，電路脈沖功率系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)高集成化
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