西北大学崔斌Chem. Eng. J.：基于芯-壳结构构建的钛酸铋钠基宽温储能陶瓷材料的界面与缺陷调控研究

由于电介质复合陶瓷电容器具有快速的充放电速度和超高的功率密度，在超高功率电子系统中表现出巨大的应用潜力。然而在严酷的应用环境中，不仅需要优越的能量存储性质，其适用的温度使用范围也有待扩展。鉴于不同材料间明显的电学性能不匹配性，在两相界面处出现麦克斯韦界面极化且电场畸变加剧，这将恶化储能性能的温度稳定性发展。因此，电介质复合材料的宽温储能性能研究正受到广泛关注。

近日，西北大学崔斌教授课题组在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Interface and defect modulation via a core-shell design in (Na_0.5Bi_0.5TiO₃@La₂O₃)-(SrSn_0.2Ti_0.8O₃@La₂O₃)-Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂ composite ceramics for wide-temperature energy storage capacitors”的论文。通过设计芯-壳结构实现对界面和缺陷的双重控制，以期提高陶瓷复合材料的宽温储能应用。该策略也有望成为提高复合材料储能性能的通用方法。

图1 NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS复合储能陶瓷的设计思路图（MWS polarization：麦克斯韦界面极化；wide T：较宽的应用温度）

如图1所示，首先，引入铁电相NBT和顺电相SrSn_0.2Ti_0.8O₃（SST）以诱导较好的弛豫性，然后分别在其表面包覆界面缓冲层La₂O₃以构建具有芯-壳结构NBT@La₂O₃和SST@La₂O₃粉体，最后与BBS玻璃相复合制备NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS储能复合陶瓷材料。其中，以芯-壳结构引入的La₂O₃起到了调节界面和缺陷的双重作用。其一，具有高E_g ~5.5 eV的La₂O₃包覆层可用作界面缓冲层，以减轻晶界处的界面极化，从而提高ƞ和温度稳定性；其二，通过芯-壳结构的界面梯度扩散，并且部分La₂O₃可以掺杂到陶瓷相晶格中，从而实现对材料内部缺陷的调控。

图2 包覆0 mol%和1.0 mol%La₂O₃的NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS复合陶瓷的EPR谱（a），XPS全谱（b），O 1s精细谱（c₁-c₂），Ti 2p精细谱（d₁-d₂）

图3 不同La₂O₃包覆量的NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS复合陶瓷的介温谱 (a-e) ，与不同NBT基陶瓷的介电温度稳定性的条形对比图(f)

图4 NBT@La₂O₃-SST@La₂O₃-BBS复合陶瓷材料的P-E曲线（a），150 kV/cm下漏电流密度与电场（J-E）曲线（b），不同温度下包覆1.0 mol% La₂O₃的样品的P-E曲线（c），P和E_c的变化曲线（d）, 能量密度和效率的变化（e），在不同温度下P、E_c、W 和η的变化（f）和HR-TEM图（g）

与其他样品相比，包覆1.0 mol%La₂O₃的样品可以同时实现更高的综合储能性能，具有高η~82.1%，高BDS~275 kV/cm和中等W_rec~2.25 J/cm³。在20~150 ℃的超宽工作温度范围内，该样品的W_rec变化率在±10%以内，具有优异的储能热稳定性。因此有望在超宽温度环境中得到实际应用。

该论文由西北大学的崔斌教授指导完成，第一作者为化学与材料科学学院博士研究生张小婷，通讯作者为崔斌教授。论文第一作者及通讯联系人所在单位为西北大学合成与天然功能分子教育部重点实验室，陕西省物理无机化学重点实验室和西北大学化学与材料科学学院。论文工作得到了国家自然科学基金（21071115）、陕西省自然科学基金研究项目（2020JZ-44和2021JZ-44）和陕西省重点科技创新团队项目（2019TD-007）支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135061.