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太原理工大学/桂林理工大学/电子科技大学：基于多尺度协同优化策略的钛酸锶铋基陶瓷击穿强度与储能性能提升机制

已有 200 次阅读 2026-10-27 14:23 |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:

Zhao P, Liu Y, Chen J, et al. Mechanism of improved breakdown strength and energy storage performance in Cd-doped Sr_0.775Bi_0.15TiO₃ relaxor ferroelectrics based on multi-scale synergistic optimization strategy. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(6):9221314. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221314

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221314

ResearchGate： Mechanism of improved breakdown strength and energy storage performance in Cd-doped Sr0.775Bi0.15TiO3 relaxor ferroelectrics based on a multi-scale synergistic optimization strategy

基金支持：

国家重点研发计划（2025YFF0521300）、国家自然科学基金（52302147）、中国博士后科学基金（2024M762333）、山西省基础研究计划（202303021222013）、广西科技计划项目（GuikeAD25069100）

一、导读

(Sr_0.775Bi_0.15)TiO₃（SBT）陶瓷是一种极具潜力的介电储能材料，提高击穿强度是优化其储能性能和拓展应用的关键。本文采用多尺度协同优化策略，通过在SBT陶瓷中引入Cd²⁺来提升其击穿强度和储能性能，并系统地研究了性能优化的内在机制。优化后的SBT基陶瓷展现出优异的综合储能性能，在490 kV/cm的电场下，可恢复储能密度达5.16 J/cm³，储能效率达92.65%，并具有115.02 MW/cm³的高功率密度和0.046 μs的超快放电时间。本研究为先进介电储能陶瓷材料设计提供了新思路。

二、研究背景

电储能技术在可再生能源储存利用中起到了举足轻重的作用，与其他储能器件相比，介质陶瓷电容器具有高功率密度、快充放电速率和长使用寿命，在脉冲功率系统中扮演了重要角色。随着脉冲储能器件小型化和片式化发展以及在高频高压环境下的应用需求，研发兼具高击穿强度、高可恢复储能密度和高储能效率的介电储能陶瓷材料成为了亟待突破的技术瓶颈。其中，击穿强度作为决定介电储能陶瓷储能密度、功率输出能力与高压服役边界的核心指标，其数值越高越有利于实现更高的储能性能与更严苛的高压应用场景。通过离子掺杂调控微结构，定向提升SBT陶瓷击穿强度是突破性能瓶颈，拓宽高压脉冲功率应用的关键途径，对推动SBT基储能陶瓷的性能优化与工程化应用具有重要的科学意义与实用价值。

三、文章亮点

（1）通过微结构的多尺度协同优化策略，抑制氧空位形成与迁移，降低非均匀高值局部电场，显著提升击穿场强。

（2）基于第一性原理计算与实验验证，探究纳观上氧空位传输动力学过程演变与调控机制，揭示性能提升机理。

（3）在SBT基储能陶瓷中实现了5.16 J/cm³的可恢复储能密度和92.65%的储能效率。

四、研究结果及结论

本研究通过固相反应法制备了Cd_xSr_0.775-xBi_0.15TiO₃（CSBT100x, x = 0, 0.05, 0.1, 0.2）储能陶瓷材料。所制备的CSBT陶瓷表现出了赝立方钙钛矿结构（Pm-3m空间群），当x = 0和0.05时，陶瓷呈现出纯相结构；但当x ≥ 0.1时，出现第二相。同时，样品晶胞体积随掺杂量的增加而逐渐减小，氧八面体畸变加剧，A-O键增强。

CSBT陶瓷表现出了以氧空位为主要载流子的电导机制，随着x从0增加至0.05，电导激活能逐渐升高，同时电导率逐渐降低，漏电流密度减小。通过第一性原理计算对Cd²⁺掺杂前后氧空位形成能的分析表明，Cd²⁺引入减小了晶胞体积，增强了A-O键强，提高了氧空位形成能，使得氧空位不易形成，并从XPS观测到的氧空位浓度下降现象得到了验证。此外，通过爬坡弹性带（CI-NEB）方法进行的过渡态计算分析了氧空位迁移势垒，计算结果表明Cd²⁺掺杂提高了氧空位迁移势垒，这使得氧空位迁移难度增加。这一效应与氧空位浓度的降低相结合，为Cd²⁺掺杂后提升SBT陶瓷体系的BDS提供了理论依据。

CSBT05陶瓷在保持低P_r的前提下，BDS大幅增强，在490 kV/cm电场下实现了5.16 J/cm³的高可恢复储能密度及92.66%的高储能效率，综合储能性能得到显著提升。同时，储能性能具有良好的温度和频率稳定性与抗疲劳特性。

五、作者及研究团队简介

赵鹏（第一作者、通讯作者），太原理工大学讲师。主要研究方向：陶瓷基储能材料及器件研究。

陈菁菁（通讯作者），桂林理工大学师资博士后。主要研究方向：脉冲储能介质材料与器件研究。

王永祯（通讯作者），太原理工大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向：基于材料基因组技术的功能材料设计；纳微碳基/陶瓷基储能材料可控制备与性能研究；煤基固废资源化低碳利用关键技术及应用研究。

唐斌（通讯作者），电子科技大学集成电路科学与工程学院教授。主要研究方向：介质陶瓷及器件的理论、实验及应用研究，主要探讨介质陶瓷材料中组分设计和掺杂对陶瓷微观结构和烧结状态的改变及对介电性能的影响。

《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，清华大学出版社有限公司出版，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、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6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；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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。