上海矽酸鹽所在鈮酸銀基陶瓷材料研究中獲進展

2020-12-21 瀟湘晨報

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度（~50 μC cm-2），從而具有較大儲能密度，在電介質儲能等領域展現出較好的應用前景，近年來受到越來越多的關注。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導致能量損耗較大，難以同時實現高的儲能密度和儲能效率，成為制約該材料在儲能領域應用的關鍵。

近期，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員董顯林和研究員王根水團隊提出一種提高AgNbO3反鐵電材料儲能特性的新思路，實現了儲能密度和儲能效率的同步提升。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，獲得了同時具有反鐵電性和線性特徵的Ag0.76La0.08NbO3陶瓷材料，其在476 kV cm-3場強下，儲能密度達7.01 J cm-3，儲能效率為77%，綜合儲能性能優於一些無鉛儲能陶瓷材料。其物理機制為較高濃度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變為納米級反鐵電疇。Ag0.76La0.08NbO3陶瓷被證明同時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度和相對低的回滯效應。此外，Ag0.76La0.08NbO3陶瓷還表現出優異的頻率穩定性和溫度穩定性。相關研究成果以Giant energy density and high efficiency achieved in silver niobate-based lead-free antiferroelectric ceramic capacitors via domain engineering為題，發表在Energy Storage Materials，34，417-426（2021）上。

此外，研究人員還利用構築鐵電-反鐵電相界的思路，研發出一種性能優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陶瓷室溫熱釋電係數為3.68×10-8 C cm-2 K-1，達到PZT基熱釋電陶瓷水平。由於其具有相對介電常數低（252@1 kHz），表現出優異的紅外探測優值，顯示了其在紅外探測領域的應用潛力。相關研究成果以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，發表在Journal of Materials Chemistry C，7（15），4403-4414上。

相關研究工作得到國家自然科學基金項目、上海市自然科學基金項目、中科院青年創新促進會等項目的支持。上海矽酸鹽所2016級直博生李松為兩篇論文的第一作者，董顯林和副研究員聶恆昌為論文的通訊作者。

論文連結：1、2

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

圖2.(1-x)AgNbO3-LiTaO3陶瓷（a）組分-溫度相圖和（b）熱釋電係數隨溫度變化曲線

【來源：中國科學院科技產業網】

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