鈮酸銀（AgNbO3）陶瓷材料具有類反鐵電的雙電滯回線和高的極化強(qiáng)度（~50 μC cm-2），從而具有較大的儲能密度，在電介質(zhì)儲能等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，近年來受到越來越多的關(guān)注。然而，鈮酸銀（AgNbO3）陶瓷材料具有類反鐵電的雙電滯回線和高的極化強(qiáng)度（~50 μC cm-2），從而具有較大的儲能密度，在電介質(zhì)儲能等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，近年來受到越來越多的關(guān)注。

然而，AgNbO3材料自身固有的亞鐵電性以及反鐵電-鐵電相變引起的回滯效應(yīng)導(dǎo)致較大的能量損耗，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的儲能密度和儲能效率，成為制約該材料在儲能領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董顯林研究員和王根水研究員團(tuán)隊(duì)提出一種提高AgNbO3反鐵電材料儲能特性的新思路，實(shí)現(xiàn)了儲能密度和儲能效率的同步提升。即通過在A位引入高固溶度的La元素，將AgNbO3材料的M3-O1(亞鐵電-順電)相變溫度移向室溫，獲得了同時(shí)具有反鐵電性和線性特征的Ag0.76La0.08NbO3陶瓷材料，其在476 kV cm-3場強(qiáng)下儲能密度高達(dá)7.01 J cm-3，儲能效率為77%，綜合儲能性能優(yōu)于絕大部分無鉛儲能陶瓷材料。其物理機(jī)制為較高濃度La組分的引入破壞了反鐵電長程序，從而使一部分微米級反鐵電疇轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級反鐵電疇。Ag0.76La0.08NbO3陶瓷被證明同時(shí)具有微米級和納米級的反鐵電疇，從而具有相對高的極化強(qiáng)度和相對低的回滯效應(yīng)。

此外，Ag0.76La0.08NbO3陶瓷還表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果近期以“Giant energy density and high efficiency achieved in silver niobate-based lead-free antiferroelectric ceramic capacitors via domain engineering”為題發(fā)表于能源類期刊Energy Storage Materials，34，417-426（2021）。

圖1. Ag0.76La0.08NbO3陶瓷的（a）介電溫譜（b）反鐵電性能（c）疇形貌和（d）儲能性能

此外，團(tuán)隊(duì)還利用構(gòu)筑鐵電-反鐵電相界的思路，成功研發(fā)出一種性能優(yōu)異的新型無鉛熱釋電材料(1-x)AgNbO3-xLiTaO3（AN-LT）。通過鐵電相LiTaO3與AgNbO3反鐵電材料固溶，在x=0.05組分獲得鐵電-反鐵電相界，相界處的0.95AN-0.05LT陶瓷室溫?zé)後岆娤禂?shù)為 3.68×10-8 C cm-2 K-1，達(dá)到PZT基熱釋電陶瓷水平。由于其具有相對介電常數(shù)低（252@1 kHz），表現(xiàn)出十分優(yōu)異的紅外探測優(yōu)值，顯示了其在紅外探測領(lǐng)域較大的應(yīng)用潛力。相關(guān)結(jié)果以“Novel AgNbO3-based lead-free ceramics featuring excellent pyroelectric properties for infrared detecting and energy-harvesting applications via antiferroelectric/ferroelectric phase-boundary design”為題發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry C,7(15), 4403-4414上。

圖2.?(1-x)AgNbO3-LiTaO3陶瓷（a）組分-溫度相圖和（b）熱釋電系數(shù)隨溫度變化曲線

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.11774366和No.51872312），上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.18ZR1444900），以及中科院青促會（No.2017296）等項(xiàng)目的資助。兩篇文章的第一作者是上海硅酸鹽所2016級直博生李松，通訊作者為聶恒昌副研究員、董顯林研究員。

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文章來源：中科院上海硅酸鹽研究所