【摘 要】
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钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5Ti O3,简写BNT)基陶瓷作为一种无铅弛豫介质材料,凭借其优异的铁电、压电性能被应用于功能器件中。近年来,随着高新技术的发展,探索其在储能方面的特性已成为研究热点。纯BNT陶瓷本身的性质限制了其在储能和充放电等领域的应用。本文以BNT基陶瓷为基体,通过类钙钛矿结构组元固溶或者离子掺杂取代的方法,采用传统的高温固相合成工艺制备了BNT基无铅储能陶瓷,增强基体陶瓷的弛
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（No.2016YFB0402701）； 国家自然科学基金项目（No. 51502127）； 山东省自然科学基金（No. ZR2020ME031）；
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钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5Ti O3,简写BNT)基陶瓷作为一种无铅弛豫介质材料,凭借其优异的铁电、压电性能被应用于功能器件中。近年来,随着高新技术的发展,探索其在储能方面的特性已成为研究热点。纯BNT陶瓷本身的性质限制了其在储能和充放电等领域的应用。本文以BNT基陶瓷为基体,通过类钙钛矿结构组元固溶或者离子掺杂取代的方法,采用传统的高温固相合成工艺制备了BNT基无铅储能陶瓷,增强基体陶瓷的弛豫性,细化电滞回线,同时提高了抗击穿电场,借此来提升了材料的储能和充放电性能。主要研究内容如下:探究了(Bi0.5Na0.47Li0.03)Ti O3-Sr Ti O3（BNLT-ST）和(Bi0.5Na0.47Li0.03)Ti O3-Na Nb O3（BNLT-NN）两种二元陶瓷的结构和相关的储能特性。分析结果表明:与ST或者NN固溶后所有的样品均表现出三方-四方相共存的钙钛矿结构。ST和NN的掺杂均增强了BNLT基体材料的弛豫性,表现出细化的电滞回线。通过优化掺杂含量,发现在两个体系中组分为0.7BNLT-0.3NN的陶瓷呈现出最优的储能性能:在190k V/cm的交流电场下,陶瓷的可恢复储能密度(Wrec)和储能效率（h）值分别为1.90J/cm~3,85.59%;此外,在180k V/cm的直流击穿场强（Eb）下,放电密度（WD）为～1.44J/cm~3,放电时间(t0.9)～0.090μs。研究了(Bi0.5Na0.47Li0.03)Ti O3-Sr Ti O3-Ba(Zr0.3Ti0.7)O3（BNLT-ST-BZT）和(Bi0.5Na0.5)Ti O3-Ba Ti O3-Ba(Zr0.3Ti0.7)O3（BNT-BT-BZT）三元陶瓷体系的结构和有关的储能特性。经BZT固溶后两种三元陶瓷均呈现赝立方相的晶体结构,没有杂质峰的出现。BZT的引入削弱了基体陶瓷的铁电性,并且提升了Eb,有利于储能性能的提升。通过优化掺杂发现BNT-BT-0.4BZT陶瓷呈现最优的储能特性,Wrec和h值分别为1.90J/cm~3、85.53%。0.7（0.7BNLT-0.3ST）-0.3BZT陶瓷充放电性能优异,功率密度（PD）和电流密度（CD）分别高达64.82MW/cm~3,864.21A/cm~2,兼具快速的放电时间,t0.9仅0.071μs。为了进一步优化储能性能,在三元体系中进行少量的Mn掺杂并优化了极化电极。Mn的引入有利于降低漏电流,减小损耗,并且能有效地提高了陶瓷储能性能。0.1wt%Mn-BNT-BT-0.4BZT陶瓷呈现出最优的储能性能,在220k V/cm的电场作用下,Wrec～2.11J/cm~3,储能性能相较于BNT-BT-0.4BZT陶瓷样品提升了11%。并且该陶瓷具有较高的放电密度,WD～1.57J/cm~3,放电性能提升了70%。通过金和银两种极化电极的对比,发现金电极有效改善了陶瓷和电极的界面,提升了介质储能和充放电性能。
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