上海硅酸盐所在铌酸银基陶瓷材料研究中取得重要进展

发布时间:2020-12-08

  铌酸银(AgNbO3)陶瓷材料具有类反铁电的双电滞回线和高的极化强度(~50 μC cm-2),从而具有较大的储能密度,在电介质储能等领域展现出较好的应用前景,近年来受到越来越多的关注。然而,AgNbO3材料自身固有的亚铁电性以及反铁电-铁电相变引起的回滞效应导致较大的能量损耗,难以同时实现高的储能密度和储能效率,成为制约该材料在储能领域应用的关键问题。

  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所董显林研究员和王根水研究员团队提出一种提高AgNbO3反铁电材料储能特性的新思路,实现了储能密度和储能效率的同步提升。即通过在A位引入高固溶度的La元素,将AgNbO3材料的M3-O1(亚铁电-顺电)相变温度移向室温,获得了同时具有反铁电性和线性特征的Ag0.76La0.08NbO3陶瓷材料,其在476 kV cm-3场强下储能密度高达7.01 J cm-3,储能效率为77%,综合储能性能优于绝大部分无铅储能陶瓷材料。其物理机制为较高浓度La组分的引入破坏了反铁电长程序,从而使一部分微米级反铁电畴转变为纳米级反铁电畴。Ag0.76La0.08NbO3陶瓷被证明同时具有微米级和纳米级的反铁电畴,从而具有相对高的极化强度和相对低的回滞效应。此外,Ag0.76La0.08NbO3陶瓷还表现出优异的频率稳定性和温度稳定性。相关研究成果近期以“Giant energy density and high efficiency achieved in silver niobate-based lead-free antiferroelectric ceramic capacitors via domain engineering”为题发表于能源类期刊Energy Storage Materials34417-4262021)。

  此外,团队还利用构筑铁电-反铁电相界的思路,成功研发出一种性能优异的新型无铅热释电材料(1-x)AgNbO3-xLiTaO3AN-LT)。通过铁电相LiTaO3AgNbO3反铁电材料固溶,在x=0.05组分获得铁电-反铁电相界,相界处的0.95AN-0.05LT陶瓷室温热释电系数为 3.68×10-8 C cm-2 K-1,达到PZT基热释电陶瓷水平。由于其具有相对介电常数低(252@1 kHz),表现出十分优异的红外探测优值,显示了其在红外探测领域较大的应用潜力。相关结果以“Novel AgNbO3-based lead-free ceramics featuring excellent pyroelectric properties for infrared detecting and energy-harvesting applications via antiferroelectric/ferroelectric phase-boundary design”为题发表在 Journal of Materials Chemistry C,7(15), 4403-4414上

  相关研究工作得到国家自然科学基金项目(No.11774366No.51872312),上海市自然科学基金项目(No.18ZR1444900),以及中科院青促会(No.2017296)等项目的资助。两篇文章的第一作者是上海硅酸盐所2016级直博生李松,通讯作者为聂恒昌副研究员、董显林研究员。

Ag0.76La0.08NbO3陶瓷的(a)介电温谱b)反铁电性能c畴形貌和(d)储能性能
(1-x)AgNbO3-LiTaO3陶瓷(a)组分-温度相图和(b)热释电系数随温度变化曲线
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  1.Energy Storage Materials,34,417-426(2021).https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.021.
  2.Journal of Materials Chemistry C,7,6,4403-4414(2019).https://doi.org/10.1039/C9TC01014A.