西安交大科研人员研制出自组装三弛豫-反铁电纳米复合电介质 实现宽温域储能新突破

储能电介质作为电能转换、脉冲功率及新能源汽车等领域关键电力设备的核心材料，其储能性能直接影响设备的安全可靠运行。因此，科研人员致力于提升电介质材料的储能性能。然而，目前面临的瓶颈是：在室温下表现优异的材料体系在高温环境中储能性能显著下降，无法在设备运行温升及高温工作场景中可靠应用。这一问题源于双重高温失效机制：高温相变导致铁电畴消失引起的极化强度衰减，以及电导随温度指数级增长引发的漏电流和电击穿，使得现有材料难以满足高端介电储能器件对高温高可靠性的严苛要求。

为了应对这一挑战，西安交通大学的科研团队提出了创新解决方案：在三临界铁电材料(Ba,Sr)(Ti,Sn)O中加入反铁电诱发剂Bi3+、Zn2+、Nb5+，并通过控制烧结工艺使其在材料局部区域富集，形成纳米尺度的自组装三临界弛豫（三弛豫）-反铁电纳米复合结构，如图1所示。该方法设计的材料共格界面能够引发深陷阱，克服了传统纳米电介质界面不连续造成的缺陷效应，使得体系在宽温域内保持高极化强度，并在温升条件下具有高击穿场强。

图1 自组装三弛豫-反铁电纳米复合结构设计

研究表明，三弛豫-反铁电纳米复合陶瓷(1-x)(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3-xBi1.5ZnNb1.5O7体系具有高储能密度、高储能效率及储能温度稳定性。性能最优的成分通过三弛豫-反铁电纳米复合界面诱导出深陷阱，材料的击穿场强达到690kV/cm，极化强度达到27.5μC/cm2，储能密度达到8.5 J/cm3，储能效率达到94.5%；在200℃高温下仍保持储能密度>4.85 J/cm3，储能效率>90%，如图2所示。这为开发兼具高储能性能与温度稳定性的新一代高性能介电陶瓷提供了新策略。

(a)不同温度下的储能性能 (b)不同温度下的储能品质因数

图2 电介质陶瓷变温储能性能综合对比

该研究成果以《Superior Energy Storage Performance in a Self-organized Trirelaxor-antiferroelectric Nanocomposite over a Wide Temperature Range》为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）上，论文第一通讯单位为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，徐靖喆博士、刘泳斌副教授、王栋教授为共同第一作者，高景晖教授与任晓兵教授为共同通讯作者，合作作者包括西安理工大学何立副教授，西安交通大学钟力生教授、吴明副教授、姚睿丰博士、张楠教授、娄晓杰教授、李盛涛教授。

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