BUPT?北郵?
10月5日，?Nature子刊《Nature Communications》發表題目為“Ferroelectric tungsten bronze-based ceramics with high-energy storage performance via weakly coupled relaxor design and grain boundary optimization”的學術論文。論文由北京郵電大學理學院，信息光子學與光通信全國重點實驗室聯合清華大學材料學院，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室完成。第一作者為北京郵電大學博士生劉家銘，北京郵電大學理學院畢科教授、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備中，電容元件不可或缺，它被廣泛應用在能量轉換、自動控制等電路系統中。獲得具有高儲能密度及效率的電介質材料，是提高儲能電容充放電速率，延長設備循環壽命的關鍵。
郵郵小課堂時間
在各種電路設備的主板中，電容元件占板面積在50%左右，例如手機主板電容1500顆左右、電動汽車各部位用電容30000顆左右。因此，電容儲能密度的提高是實現設備小型化、減重的關鍵。
相較于傳統的電化學儲能（日常生活中大家熟悉的鋰電池就是典型的電化學儲能設備）而言，陶瓷儲能電容以耐高壓、高功率密度和高儲能效率聞名。目前儲能陶瓷儲能材料的研究主要集中于鈣鈦礦結構的鐵電/反鐵電材料中。作為第二大類鐵電體，四方鎢青銅結構（TBBs）陶瓷雖然也具有良好的鐵電和介電性能，但由于其復雜的晶體結構，在局部結構設計和優化上存在較大的困難，導致其在儲能領域的研究很少得到關注且性能提升緩慢。
北郵師生長期以來對信息功能材料的多尺度結構精細調控及其相關應用進行了系統、深入的研究，并取得了一系列的進展。團隊以高密度、高效率、高可靠性的儲能電容元件為目標，以無鉛陶瓷材料為基礎，不斷改進材料配方和設計思路，突破性地在鎢青銅結構的陶瓷材料體系中獲得了優越的儲能性能，打破了鈣鈦礦陶瓷在儲能電容中的固有壟斷地位，為儲能電容的材料設計帶來新的思路和方法。
圖：實驗室教師指導學生展開研究
團隊通過多尺度設計增強了鎢青銅陶瓷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不均勻性，從而打破了長程有序的鐵電疇，誘導出對外場響應迅速的極性納米微區，顯著降低了剩余極化強度。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”結構，這些局部結構設計顯著提高了體系的擊穿電場強度。最終在950kV/cm的電場下，BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷獲得了12.2 J/cm3的高儲能密度和89.5%的優異儲能效率，是目前已報道的四方鎢青銅基陶瓷材料的最高儲能密度。此外，該陶瓷在頻率（0.1-100Hz）、溫度（25-160?oC）和循環電場（106次）下表現出顯著的穩定性。本研究提出的多尺度材料優化策略，特別是復相結構設計為電介質電容器研發提供了一種新的方法。
圖：本研究的設計思路和綜合性能對比
圖：BaSrTiNb2-xTaxO9陶瓷
微觀復相結構設計、成分分析和極化微區表征
郵郵小課堂時間
目前已經發表的研究成果中四方鎢青銅陶瓷的儲能密度大部分在5 J cm-3以下，本研究獲得的材料儲能密度為12.2 J cm-3。這意味著，以此次研究成果為依托的儲能材料，可以使得相同儲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，高儲能效率則是防止器件發熱的關鍵。因此，本研究成果將有助于推動于電路的小型化、集成化，延長電路系統使用壽命。
原文始發于微信公眾號（北郵本科招生）：Nature 子刊發文丨北郵人新突破，電路脈沖功率系統有望實現高集成化
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。
