桂林电子科技大学许积文团队研究成果：钨青铜-钙钛矿复合陶瓷的结构与储能性能研究
引言
电介质陶瓷在储能电容器中占据核心地位，其性能直接影响电容器的储能能力。复合陶瓷作为电介质改性的重要手段，通过融合不同结构的陶瓷材料，旨在提升陶瓷的整体性能。本文聚焦于钨青铜-钙钛矿复合陶瓷的研究，旨在通过特定组分的复合与掺杂，开发出具有高储能性能的陶瓷材料，以满足电子设备、脉冲功率武器及混合动力汽车等领域对高性能电容器的迫切需求。文章基于桂林电子科技大学许积文研究员团队研究成果及国家自然科学基金、广西自然科学基金项目资助。
1、研究背景 （1）储能器件对比：电容器、超级电容器和电池是主要的电能存储器件，各自具有独特的优缺点。电容器以其快速的充放电速度、高的功率密度及宽泛的工作温度和频率范围，在电子设备中占据重要地位。 （2）陶瓷介质电容器的优势：陶瓷介质电容器因其高功率密度、快速充放电特性，在电子与电磁设备、脉冲功率武器及混合动力汽车等领域有广泛应用。然而，开发高储能性能的陶瓷电容器仍是当前的研究热点。 （3）钛酸铋钠（BNT）陶瓷的局限性：BNT陶瓷虽具有优异的压电、介电和铁电性能，但其高剩余极化、大漏电流及化学稳定性差等问题限制了其在电容器中的应用。因此，对BNT陶瓷进行改性成为必要。 （4）BNT陶瓷改性研究：为改善BNT陶瓷的性能，研究者们采用了多种手段，包括引入其他组分、元素掺杂及制备工艺优化等。其中，钨青铜结构因其成分设计和结构修饰的灵活性，被视为钙钛矿材料的理想复合材料。 （5）钨青铜结构陶瓷的研究进展：钨青铜结构的介电陶瓷在储能领域展现出巨大潜力，不同组分的钨青铜陶瓷通过掺杂和复合，实现了储能性能的提升。然而，将钨青铜相与钙钛矿相融合构建复合陶瓷的研究尚不充分，储能性能仍有待提升。 2、创新亮点 （1）复合陶瓷设计：本文创新性地提出将钨青铜结构的Ba5LaTi3Ta7O30（BLTT）与钙钛矿结构的(Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）进行复合，构建出具有双相结构的复合陶瓷。 （2）Sm2O3掺杂改性：采用稀土元素Sm2O3对复合陶瓷进行掺杂改性，通过固溶作用引起晶格畸变，促进棒状晶粒生长，抑制球形晶粒生长，从而优化陶瓷的微结构。 （3）相变与性能提升：Sm2O3的掺杂促使BNT陶瓷在室温下实现从铁电到弛豫铁电的相变，显著提高了陶瓷的储能密度和储能效率。 （4）高储能性能实现：在Sm2O3含量为1.2%（质量分数）和电场为160 kV/cm的条件下，复合陶瓷获得了高可回收储能密度（1.6 J/cm³）和储能效率（74%），并在实际放电测试中表现出色。 3、图文展示 图1 BNT-BLTT-xSm陶瓷的XRD图谱 Fig.1 XRD patterns of the BNT-BLTT-xSm ceramics 图2 BNT-BLTT-xSm陶瓷的表面形貌 Fig.2 Surface morphologies of the BNT-BLTT-xSm ceramics 图3 BNT-BLTT-1.2Sm陶瓷的EDS能谱 Fig.3 EDS spectrum of the BNT-BLTT-1.2Sm ceramic 图5 BNT-BLTT-xSm陶瓷的介电温谱 Fig.5 Temperature dependence of dielectric constant and loss of the BNT-BLTT-xSm ceramics 图7 BNT-BLTT-1.2Sm陶瓷在室温和不同外加电场时的(a)放电电流；(b)能量密度；(c)功率密度；(d)最大放电电流和放电时间 Fig.7 Discharge properties of the BNT-BLTT-1.2Sm ceramic at room temperature and different electric fields: (a) discharge current; (b) energy density; (c) power density; (d) maximum discharge current and discharge time 图8 BNT-BLTT-1.2Sm陶瓷在120 kV/cm和不同温度时的(a)放电电流；(b)能量密度；(c)功率密度；(d)最大放电电流和放电时间 Fig.8 Discharge properties of the BNT-BLTT-1.2Sm ceramic at 120 kV/cm and different temperatures: (a) discharge current; (b) energy density; (c) power density; (d) maximum discharge current and discharge time 4、结论 本文通过引入钨青铜结构的BLTT与钙钛矿结构的BNT进行复合，并采用Sm2O3进行掺杂改性，成功制备出具有高储能性能的复合陶瓷。结果表明，Sm2O3的掺杂不仅优化了陶瓷的微结构，还促进了铁电体向弛豫铁电体的转变，从而显著提高了陶瓷的储能密度和储能效率。在特定条件下，复合陶瓷获得了高可回收储能密度和实际放电能量密度，显示出在储能电容器领域的巨大应用潜力。本研究为开发高性能钙钛矿-钨青铜复合陶瓷奠定了实验基础，对推动储能电容器技术的发展具有重要意义。 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第5期，欢迎引用本文： 蔡婉莹,汪青,杨玲,等.钨青铜-钙钛矿复合陶瓷的结构与储能性能研究[J].功能材料,2025, 56(5):05095-05102. Cai W Y,Wang Q,Yang L,et al.Study on structure and energy storage properties of composite ceramics based on tungsten bronze-perovskite phases[J].Journal of Functional Materials,2025,56(5):05095-05102.