電介質電容器具有充放電速率快、功率密度高、循環壽命長、機械性能好等優點,非常適用于脈沖功率系統和高功率系統，在航空航天、醫療器械、汽車電子、激光系統等領域具有重要應用前景。但電介質電容器的儲能密度相對較低，使其在儲能元件的小型化、集成化和輕量化發展上受到極大限制。近10年來，無鉛儲能陶瓷儲能特性研究進展迅速，儲能密度不斷取得新突破。其中，NaNbO3無鉛陶瓷具有低的理論體積密度、高的潛在極化強度，并具有環境友好的特性，因而該體系日益受到關注，但迄今NaNbO3基無鉛儲能陶瓷仍然面臨如何同時獲得高儲能密度和高儲能效率的研究挑戰。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所與同濟大學合作，利用鐵電疇和能帶工程的協同優化策略，有效提高了NaNbO3基無鉛儲能陶瓷的綜合性能。通過在NaNbO3基體的A位引入異價Bi3+離子、在B位引入Ta5+離子，獲得了具有純鈣鈦礦結構的Na0.7Bi0.1Nb1-xTaxO3 （NBNTx）無鉛儲能陶瓷。陶瓷中所形成的A、B位離子無序和A位離子空位，引起局域無規場，打破了長程有序結構，形成了高活性極性納米微區PNRs，從而降低了體系剩余極化強度，提高了其儲能效率。同時，Ta的摻雜也有利于提高陶瓷的禁帶寬度，顯著降低了平均晶粒尺寸，進而提高了陶瓷的擊穿場強，在530 kV/cm的電場作用下，Na0.7Bi0.1Nb0.9Ta0.1O3陶瓷獲得了高儲能密度（Wrec=7.33 J/cm3）和高儲能效率（η=83.68%）。該陶瓷同時表現出優異的穩定性和充放電特性(t0.9 = 60 ns, PD = 320.21 MW/cm3)。研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A，doi.org/10.1039/D2TA02534E。
論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生楊偉偉，通訊作者為曾華榮研究員和同濟大學翟繼衛教授。相關研究工作得到了科技部重點研發計劃和國家自然基金委面上項目等課題的資助和支持。
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(a-d) NBNTx陶瓷的P-E曲線，(e-f) NBNTx的儲能特性
NBNTx陶瓷的(a-d) XRD結構精修、(e)介電溫譜、(f) 拉曼光譜，(g) NBNT10陶瓷的變溫拉曼光譜
(a-b) NBNT10陶瓷的溫度穩定性，(c-d) NBNT10陶瓷的頻率穩定性
(a-d) NBNT10陶瓷的充放電特性，(e) NBNT10陶瓷充放電特性與其他無鉛儲能陶瓷的比較
