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南昌航空大学毛蒲/北京科技大学李天宇等：构建强极性纳米畴实现钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷中等电场下的优异储能性能精选

已有 847 次阅读 2026-4-24 11:22 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Li W, Mao P, Zhao X, et al. Strongly polarizable nanodomains enable excellent energy storage performance at moderate electric fields in lead-free Bi_0.5Na_0.5TiO₃-based ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221289

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221289

ResearchGate：Strongly polarizable nanodomains enable excellent energy storage performance at moderate electric fields in lead-free Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 -based ceramics

一、导读

随着电子系统向小型化、集成化方向发展，介电陶瓷电容器对高储能密度和高效率的需求日益迫切。然而，在中等电场下同时实现这两者一直是技术瓶颈。本文提出“强极性纳米畴”设计策略，通过在无铅钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5TiO₃, BNT)基陶瓷中调控多离子取代与菱方/四方相比例，成功构建出具有高本征极化能力和动态可逆响应的纳米畴结构。优化后的陶瓷在330 kV/cm的中等电场下，实现了6.11 J/cm³的储能密度和86%的效率，性能优于目前绝大多数无铅块体陶瓷。该研究为高性能脉冲功率电容器的开发提供了全新的材料设计思路。

二、研究背景

随着全球能源需求不断增长，高效、快速的能量存储技术成为现代电子系统发展的关键。介电陶瓷电容器因其超高功率密度和快速充放电能力，在脉冲功率电子系统中具有重要应用前景。然而，如何在中等电场下同时实现高能量存储密度(W_rec)和高效率(η)，一直是该领域面临的重大挑战。在众多无铅材料中， BNT基弛豫铁电体因其高自发极化强度而备受关注。然而，其高矫顽场和介电损耗限制了其在电容器中的实际应用。为此，科研人员不断探索新的结构调控策略，以期在保持高极化的同时提升击穿场强和储能效率。

三、研究亮点

（1）提出“强极性纳米畴”新概念：通过在BNT基陶瓷中构建具有高本征极化能力和动态可逆响应的纳米畴结构，突破了传统极化与击穿场强之间的制约关系。

（2）多离子取代与相比例调控协同优化：通过引入Sm³⁺等离子，优化菱方相（R）与四方相（T）的比例，增强随机场效应，削弱畴间相互作用，形成强极化纳米畴。

（3）在中等电场下实现卓越储能性能：优化后的0.98(BNSB)_0.985S_0.01T-0.02CMN陶瓷在330 kV/cm的中等电场下，实现了6.11 J/cm³的储能密度和86%的效率，优于绝大多数已报道的无铅块体陶瓷。

四、研究结果和结论

通过传统固相反应法制备了系列BNT基陶瓷，并系统研究了其相结构、微观形貌、介电性能、极化行为和储能特性。XRD和Rietveld精修显示，Sm³⁺掺杂显著提升了R相比例形成了有利于极化旋转的R/T相界结构。同时优化样品展现出较高的介电常数和极高的最大极化强度（65.8 μC/cm²）和极低的剩余极化强度（5.34 μC/cm²），形成纤细的P-E回线。因此在330 kV/cm外部电场下，获得大的W_rec = 6.11 J/cm³，高的η = 86%，并在20-140 °C和5-500 Hz范围内表现出优异的稳定性。

综上，本研究提出的“强极化纳米畴”策略，不仅为BNT基无铅陶瓷在中等电场下的高性能储能提供了可行路径，也为其他弛豫铁电体的结构设计提供了新思路。该成果为实现下一代高性能、低功耗脉冲功率电容器奠定了坚实基础。

五、作者及其团队介绍

毛蒲（通讯作者），南昌航空大学材料科学与工程学院副教授，硕士研究生导师。2020年博士毕业于西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，2019-2020年在新加坡国立大学博士联合培养。主要从事巨介电陶瓷、电介质储能陶瓷材料、聚合物基介电复合材料及铁电/压电催化等相关领域的研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、江西省自然科学基金面上项目等各类科研项目。目前，在Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of the European Ceramic Society 等国际学术期刊上发表SCI论文50余篇，申请或授权发明专利3项。担任Journal of Materials Science: Materials in Engineering期刊副编辑，Journal of Advanced Ceramics期刊博士审稿团成员，Microstructures和Journal of Advanced Dielectrics国际期刊青年编委，并担任Nature Communications、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等多个国际期刊的同行评审专家。

李万金（第一作者）南昌航空大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要从事电介质储能陶瓷等方向的研究，已发表学术论文3篇。

E-mail: qq994355499@163.com

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。