介質(zhì)電容器具有超快充放電速率和高功率密度的特性，其作為脈沖電源系統(tǒng)的核心，越來(lái)越受到人們的重視。然而，介質(zhì)電容器占脈沖電源系統(tǒng)體積和重量的25%以上，這與現(xiàn)代電氣和電子設(shè)備小型化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)相矛盾。因此，如何在介質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)高能量存儲(chǔ)性能成為發(fā)展高端脈沖功率電容器的主要障礙。弛豫鐵電體是脈沖功率電容器最有前途的候選材料，其中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷在過(guò)去十年中取得了很大的發(fā)展。然而，作為第二大類鐵電體，四方鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷具有豐富的鐵電和介電性能，但是由于晶粒異常生長(zhǎng)導(dǎo)致的低耐電強(qiáng)度，其在脈沖功率應(yīng)用中受到較少的關(guān)注。  

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所鐵電陶瓷材料與器件課題組王根水研究員團(tuán)隊(duì)利用多尺度調(diào)控策略在Sr_0.425La_0.1Ba_0.425Nb_1.4Ta_0.6O₆(SLBNT)鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛陶瓷中獲得了優(yōu)異的綜合儲(chǔ)能性能。該工作從多個(gè)尺度同時(shí)增強(qiáng)了鎢青銅鐵電陶瓷的弛豫行為和耐電強(qiáng)度。疇尺度上，A、B位共摻增強(qiáng)了局部異質(zhì)性，從而打破了長(zhǎng)程鐵電有序，誘導(dǎo)出對(duì)外場(chǎng)響應(yīng)迅速的極性納米微區(qū)，大大降低了其剩余極化強(qiáng)度；晶粒尺度上，高耐火性的Ta₂O₅顯著抑制晶粒生長(zhǎng)，減小了陶瓷的平均晶粒尺寸，顯著提高了陶瓷的電阻率；宏觀能帶尺度上，寬帶隙氧化物Ta₂O₅ (~ 4 eV)和La₂O₃ (~ 4.3 eV)的取代可以擴(kuò)大陶瓷的帶隙，從而降低擊穿過(guò)程中電子電離和碰撞的概率。晶粒尺寸的減小和帶隙的拓寬顯著提高了陶瓷的耐電強(qiáng)度。最終在574 kV/cm的電場(chǎng)下，Sr_0.425La_0.1Ba_0.425Nb_1.4Ta_0.6O₆獲得了高儲(chǔ)能密度（5.9 J/cm³）和儲(chǔ)能效率（85.4%），顯著超越了以前對(duì)鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷的研究。同時(shí)，還表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性(-120 ~ 120 )、頻率穩(wěn)定性(10 Hz ~ 250 Hz)和循環(huán)疲勞穩(wěn)定性(高達(dá)10⁶次)。此外，還實(shí)現(xiàn)了高功率密度(257.89 MW/cm³)和超快的放電速率(t_0.9=16.4 ns)。該項(xiàng)工作突出了四方鎢青銅結(jié)構(gòu)弛豫鐵電材料的研究潛力，開(kāi)拓了脈沖功率電容器領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)研究材料。  

　　相關(guān)成果以“Superior Energy Density Achieved in Unfilled Tungsten Bronze Ferroelectrics via Multiscale Regulation Strategy”為題發(fā)表在Advanced Science (2023)上。論文第一作者是上海硅酸鹽所碩博研究生彭浩南，通訊作者是王根水研究員和劉振副研究員，相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市浦江人才計(jì)劃、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目的資助和支持。  

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202300227  

多尺度調(diào)控策略示意圖  

(a-b) SBN, SLBN, 和 SLBNT陶瓷的電滯回線，(c-d) SLBNT陶瓷的儲(chǔ)能特性  

SBN, SLBN, 和 SLBNT陶瓷的(a)XRD譜圖，(b-e)拉曼光譜，(f-h)SEM，(i)高溫阻抗，(j-k)橢圓偏振光譜  

SLBNT陶瓷的(a-b)儲(chǔ)能特性溫度穩(wěn)定性，(c-e)變溫拉曼光譜，(f)變溫XRD譜圖  

SLBNT陶瓷的(a-c)儲(chǔ)能特性疲勞與頻率穩(wěn)定性，(d、e)過(guò)阻尼放電性能，(f、g)欠阻尼放電性能，(h、i)變溫過(guò)阻尼放電性能