中國(guó)粉體網(wǎng)訊  目前主流的電能存儲(chǔ)器件主要有四種，分別是：化學(xué)儲(chǔ)能裝置(電池)、固體氧化物燃料電池(SOFCs)、電化學(xué)電容器(ECs)和靜電電容器(電介質(zhì)電容器)。圖中可以看出，四種電能存儲(chǔ)器件均不能具備高的儲(chǔ)能密度的同時(shí)兼顧高的功率密度。

四種儲(chǔ)能方式的電容器儲(chǔ)能密度與功率密度關(guān)系圖

結(jié)合四種電能存儲(chǔ)器件的優(yōu)缺點(diǎn)認(rèn)為：電介質(zhì)電容器電能儲(chǔ)存裝置更具經(jīng)濟(jì)性、可適用性，更安全可靠，在電容器領(lǐng)域具有好的發(fā)展前景。而儲(chǔ)能陶瓷正是介電儲(chǔ)能電容器所使用的重要材料，其具有較大的介電常數(shù)、較低的介電損耗、適中的擊穿電場(chǎng)、較好的溫度穩(wěn)定性、良好的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，在耐高溫介電脈沖功率系統(tǒng)上有應(yīng)用前景。就可查證的文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，截至目前，就儲(chǔ)能性能方面而言，含鉛陶瓷要優(yōu)于無(wú)鉛陶瓷。

眾所周知，鉛元素毒性極強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)、日常使用和廢氣后處理過(guò)程中都對(duì)人體和生態(tài)有著極強(qiáng)的危害。所以，如何減少能源損耗，提高儲(chǔ)存效率、獲得更多有效儲(chǔ)能、減少能量損耗、減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，發(fā)展無(wú)毒無(wú)害、環(huán)境友好型的綠色可再生能源，成為人們關(guān)注和研究的重點(diǎn)，也成為眾多學(xué)者研究者發(fā)展提升儲(chǔ)能技術(shù)與高質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度介質(zhì)材料的重要推動(dòng)力。

無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷的特性及應(yīng)用

無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷，主要是以具有鐵電、壓電等特性為核心的非線性電介質(zhì)材料為主。與傳統(tǒng)的線性電介質(zhì)相比，非線性電介質(zhì)材料的有效儲(chǔ)能密度較大，具有更大的應(yīng)用潛力于實(shí)際中；另外，無(wú)鉛材料則具有環(huán)境友好、密度小于鉛基材料的特性，便于在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化、便攜化。無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷介電容器與目前被廣泛研究的超級(jí)電容器一樣，都具有高的功率密度(~108W/kg)、快的充放電速度(<1μs)和長(zhǎng)的循環(huán)壽命(~5萬(wàn)次)等優(yōu)點(diǎn)。

在探究?jī)?chǔ)能特性方面，具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)適中、介電損耗較低、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞優(yōu)良等優(yōu)異特性，在航空航天、新能源發(fā)電、動(dòng)力汽車、電磁脈沖武器、新能源發(fā)電、醫(yī)用手術(shù)激光、混合動(dòng)力汽車、核物理技術(shù)、資源勘探和定向武器等方面都有著廣闊的前景，是脈沖功率裝置中最核心的元部件之一，在電力電子系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的作用。因此，陶瓷態(tài)無(wú)鉛儲(chǔ)能材料被認(rèn)為是一種新型的、具有較高耐熱性能的優(yōu)選材料，是可持續(xù)發(fā)展的、可再生的、具備發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能材料。

根據(jù)《2020研究前沿》(2014-2019)報(bào)告顯示，在化學(xué)與材料科學(xué)研究領(lǐng)域，“無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷”已經(jīng)成為國(guó)際上最受關(guān)注的前沿研究熱點(diǎn)方向，充分體現(xiàn)了我國(guó)科研人員以及國(guó)際社會(huì)對(duì)該領(lǐng)域課題的高度關(guān)注。在此背景下，無(wú)論是為防止我國(guó)在這一領(lǐng)域被日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家“卡脖子”，還是為了適應(yīng)我國(guó)的未來(lái)發(fā)展方向，都需要加大在陶瓷介質(zhì)電容器元件這一領(lǐng)域的支持和研發(fā)力度。

無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究現(xiàn)狀

針對(duì)無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究，目前研究較多的體系有鈮酸鈉(NaNbO₃,簡(jiǎn)稱NN)、鈦酸鋇(BaTiO₃, 簡(jiǎn)稱BT)、鈮酸銀(AgNbO₃, 簡(jiǎn)稱AN)、鈮酸鉀鈉(K_0.5Na_0.5NbO₃, 簡(jiǎn)稱KNN)等體系。

■ 鈮酸鈉體系（NaNbO₃）

NaNbO₃是一類典型的無(wú)鉛無(wú)毒無(wú)污染、低密度和低成本的新型材料，是一類非常重要的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的反鐵電材料。在儲(chǔ)能方面，NN基陶瓷具有很多優(yōu)異特性，例如既具備高的居里溫度(370℃)，又具有高的機(jī)電耦合系數(shù)、大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高的飽和極化值(~40 μC/cm²)等，在介電儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。但純的NN剩余極化強(qiáng)度(Pr)高，導(dǎo)致其可恢復(fù)儲(chǔ)能密度和能量效率低，不利于儲(chǔ)能的優(yōu)化。為了獲得更佳儲(chǔ)能特性的電介質(zhì)容器，眾多學(xué)者研究者對(duì)NN基陶瓷進(jìn)行了深入研究。

NN基陶瓷提升儲(chǔ)能特性主要表現(xiàn)在：

（1）離子摻雜改善晶粒尺寸，增強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，提升極化強(qiáng)度；

（2）選擇優(yōu)良原料供應(yīng)商，降低化學(xué)差異性。良好的可重復(fù)性同時(shí)也為材料從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（3）改善工藝，探索更佳燒結(jié)方式。

■ 鈮酸銀體系（AgNbO₃）

AgNbO₃是NN體系之外，另一重要的反鐵電體系，由于早期觀察到非零小剩余極化，被認(rèn)為表現(xiàn)出弱鐵電性。為了提升鈮酸銀基陶瓷的儲(chǔ)能特性，研究人員通過(guò)金屬氧化物摻雜，降低材料的容忍因子，提高陶瓷材料的反鐵電性，最終提升儲(chǔ)能特性。雖然鈮酸銀基陶瓷具有較高的儲(chǔ)能密度，在應(yīng)用方面可能具有巨大優(yōu)勢(shì)，但其反鐵電的特有P-E圖，表現(xiàn)出較大能量損耗，另外，Ag原料成本高，制備工藝復(fù)雜，使得鈮酸銀基陶瓷電容器在儲(chǔ)能方面的實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用有待加強(qiáng)。

■ 鈦酸鋇體系（BaTiO₃）

BaTiO₃基陶瓷是發(fā)現(xiàn)最早、研究最早、最受歡迎的無(wú)鉛弛豫鐵電體之一，具有介電系數(shù)高、介電損耗小等優(yōu)勢(shì)。但是純的BT基陶瓷居里溫度低，在居里溫度之上會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致其適用工作溫度范圍狹窄，難以滿足極端條件下的使用，限制了其在高性能儲(chǔ)能設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展。為此，有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行離子取代形成固溶體進(jìn)行儲(chǔ)能特性改良，研究出BZT陶瓷和BST陶瓷，并在最佳制備工藝下獲得的不錯(cuò)的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。

■ 鈮酸鉀鈉體系（KNN）

K_0.5Na_0.5NbO₃基陶瓷是一種將傳統(tǒng)的鈮酸鈉體系進(jìn)行Na⁺離子替換形成的比較新的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷，具有致密的微觀結(jié)構(gòu)且晶粒尺寸較小，居里溫度較高，是較優(yōu)異的壓電材料，但關(guān)于其的儲(chǔ)能特性的研究相對(duì)較少。在光學(xué)特性方面，KNN陶瓷具有良好的透光性，在透明面板以及相應(yīng)光學(xué)儀器方面具有應(yīng)用前景。起初對(duì)于KNN陶瓷的研究是針對(duì)其壓電性能方面的研究，之后逐漸便有了研究人員對(duì)KNN基各性能的研究：

（1）固溶第二組元提升KNN儲(chǔ)能特性。

（2）金屬氧化物作助燒劑，可以一定程度降低晶粒尺寸和氣孔率，進(jìn)而提升 KNN陶瓷的儲(chǔ)能性能。

■ 其他體系

目前研究較為廣泛的無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷體系還有很多，比如鈦酸鉍鈉(Bi_0.5Na_0.5TiO₃, 簡(jiǎn)稱BNT)體系和鐵酸鉍(BiFeO₃,簡(jiǎn)稱BF)體系等。

BNT陶瓷是是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，其居里溫度較高，室溫下呈鐵電相，其較高的居里溫度和較大的剩余極化強(qiáng)度限制了BNT在室溫條件和儲(chǔ)能領(lǐng)域下的發(fā)展。

BiFeO₃基陶瓷是一種被研究最多的多鐵性體系，有較高居里溫度、較大自發(fā)極化、在室溫下觀察到鐵磁和鐵電特性的特點(diǎn)，多被應(yīng)用于高溫鐵電和壓電領(lǐng)域。但純的BF陶瓷具有較大的泄漏電流，早期不被認(rèn)為在儲(chǔ)能方面有大的前景。為了改善該特性，有研究者引入合金等摻雜劑抑制電流泄露，配方優(yōu)化，降低電導(dǎo)率，使得BF體系獲得較優(yōu)異的儲(chǔ)能特性。

小結(jié)

儲(chǔ)能陶瓷的應(yīng)用已經(jīng)貫穿于我們生活的方方面面：上至航空航天、新能源發(fā)電、動(dòng)力汽車等領(lǐng)域，下至人們的日常出行，說(shuō)明儲(chǔ)能陶瓷材料已經(jīng)成為脈沖功率設(shè)備中最關(guān)鍵的元件之一，在電力電子系統(tǒng)中發(fā)揮著日益重要的作用。

（a）儲(chǔ)能陶瓷的應(yīng)用, (b)2010-2020 年電介質(zhì)儲(chǔ)能材料論文發(fā)表情況

從近十年鉛基陶瓷、無(wú)鉛基陶瓷、多層陶瓷與陶瓷粉薄膜的文章發(fā)行量來(lái)看，無(wú)鉛基陶瓷占著越來(lái)越多的比重，看出人們?cè)谧非笪镔|(zhì)與精神生活水準(zhǔn)的同時(shí)，也越來(lái)越重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)。所以，研發(fā)高儲(chǔ)能性能的無(wú)鉛環(huán)保材料刻不容緩。

來(lái)源：

馮游：NaNbO₃基電子陶瓷的制備及電學(xué)性能研究

科大材子之家：科海泛舟|高功率，高效益，你不知道的無(wú)鉛儲(chǔ)能陶瓷

中國(guó)粉體網(wǎng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除