掺锰的（Bi0.5Na0.5）0.75Ba0.25TiO3-(Ag0.5La0.5）(Hf0.5Nb0.4)O3陶瓷电容器在中等电场下的高能量存储性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：High energy storage performance of Mn-doped (Bi 0.5Na 0.5) 0.75Ba 0.25TiO 3-(Ag 0.5La 0.5) (Hf 0.5Nb 0.4)O 3 ceramic capacitors under moderate electric fields

通过Mn??掺杂抑制氧空位并细化晶粒，结合(Ag?.?La?.?)(Hf?.?Nb?.?)O?共掺杂增强极化无序性，制备的0.75Bi?.?Na?.?TiO?-0.25BaTiO?陶瓷在320kV/cm场强下实现4.82J/cm3能量密度和84.3%效率，同时具备高功率密度（72MW/cm3）、快速充放电（t?.?=47ns）和宽温域（20-120℃）、宽频域（1-100Hz）稳定性，为脉冲功率设备提供新型高能密度储能介质。

　　在现代科技快速发展的背景下，能量存储设备的应用日益广泛，尤其是在脉冲功率系统中，对设备的集成度和小型化提出了更高的要求。传统的电容器材料虽然在某些方面表现良好，但在能量密度和充放电性能上仍存在明显不足，限制了其在高要求应用场景中的发展。因此，研究如何优化电容器材料的性能，使其在中等电场条件下实现更高的能量存储密度和效率，成为当前科研的重点方向。

本研究聚焦于一种基于(Bi?.?Na?.?)?.??Ba?.??TiO?（简称BNT-BT）的陶瓷材料，并引入了(Ag?.?La?.?)(Hf?.?Nb?.?)O?（简称ALHN）作为掺杂元素。此外，还加入了少量的MnO?作为烧结助剂。这种多离子共掺杂策略旨在通过抑制氧空位的形成、细化晶粒、增强材料的极化性能以及调控电荷分布，从而全面提升陶瓷材料的储能性能。实验结果显示，经过优化后的陶瓷材料在320 kV/cm的电场下，实现了4.82 J/cm3的能量密度和84.3%的储能效率，这在一定程度上超越了当前许多传统材料的性能指标。

在材料科学领域，氧空位和晶粒尺寸是影响电容器性能的关键因素。氧空位的存在会导致材料内部的电荷分布不均，进而影响其极化性能和能量存储能力。而晶粒的粗大则可能降低材料的击穿电场强度，限制其在高电场下的应用。因此，通过掺杂策略减少氧空位的形成，并通过细化晶粒提高击穿电场强度，成为优化材料性能的有效手段。Mn??的掺杂在本研究中发挥了重要作用，它不仅能够有效抑制氧空位的生成，还能改善材料的晶界特性，从而提升整体的电性能。

与此同时，ALHN的引入进一步增强了材料的离子混乱度，特别是在A位和B位上，这种混乱度的增加有助于形成更加动态的极化纳米区域。这些极化纳米区域的动态特性可以有效延缓极化饱和现象的发生，减少剩余极化值（P?），从而提高材料的储能效率。此外，ALHN的掺杂还促进了材料内部的晶格不均匀性，使得材料在电场作用下能够更有效地存储和释放电荷。这种多离子共掺杂策略不仅提升了材料的储能性能，还增强了其在不同环境条件下的稳定性。

在实际应用中，温度和频率的稳定性对于电容器材料至关重要。尤其是在脉冲功率系统中，材料需要在较宽的温度范围内保持稳定的性能，以适应复杂的工作环境。本研究中，经过优化后的陶瓷材料在20–120 °C的温度范围内和1–100 Hz的频率范围内均表现出良好的稳定性，这表明其在实际应用中具有较强的适应能力。此外，材料还表现出较高的电流密度和功率密度，分别为905 A/cm2和72 MW/cm3，以及快速的充放电能力（t?.? = 47 ns），这些特性使得该材料在高功率密度和快速响应的应用场景中具有显著优势。

从研究结果来看，ALHN的掺杂在提高材料的储能性能方面表现出色。与未掺杂的BNT-BT二元陶瓷相比，ALHN的引入显著提升了材料的能量密度和储能效率。同时，该材料在中等电场条件下实现了较高的储能密度，这为实现高能量存储电容器的中等电场应用提供了可能。相比现有的三元陶瓷或高熵体系，该材料在相同条件下表现出更优异的储能性能，这表明其在材料设计和优化方面具有较大的潜力。

此外，本研究还探讨了材料的微观结构特性。通过X射线衍射（XRD）测试发现，所有样品均符合钙钛矿结构的特征，而Mn??的掺杂并未改变其基本相结构。然而，ALHN的引入对材料的相结构产生了显著影响，特别是在晶格畸变和极化行为方面。ALHN的掺杂使得材料内部的极化纳米区域更加动态，从而增强了材料的弛豫特性。这种弛豫特性有助于在充放电过程中实现更高的电荷密度，提高材料的整体性能。

从材料的制备过程来看，该研究采用了精确的配料比例和长时间的球磨处理，以确保材料的均匀性和稳定性。在烧结过程中，MnO?的加入起到了重要的作用，它能够改善材料的烧结行为，减少晶粒生长，从而提高材料的击穿电场强度。这种烧结助剂的使用不仅优化了材料的微观结构，还提升了其在高电场下的应用能力。

在研究方法上，本研究通过系统分析多离子共掺杂对材料性能的影响，提出了一个有效的材料设计策略。该策略结合了Mn??的掺杂和ALHN的引入，使得材料在多个方面得到了优化。通过实验验证，该材料在中等电场条件下表现出较高的储能密度和效率，同时保持了良好的温度和频率稳定性。这些结果表明，该材料在实际应用中具有较高的可行性。

从应用角度来看，该材料的高储能密度和快速充放电能力使其在脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。脉冲功率系统通常需要材料在短时间内存储和释放大量能量，因此，高能量密度和高效率的材料显得尤为重要。本研究中，该材料在320 kV/cm的电场下实现了4.82 J/cm3的能量密度和84.3%的储能效率，这表明其在高功率密度和快速响应的应用场景中具有显著优势。

综上所述，本研究通过多离子共掺杂策略，成功优化了(Bi?.?Na?.?)?.??Ba?.??TiO?陶瓷材料的储能性能。Mn??的掺杂有效抑制了氧空位的形成，提高了材料的击穿电场强度，而ALHN的引入则增强了材料的离子混乱度，促进了极化纳米区域的动态形成，从而提升了材料的储能效率。此外，该材料在中等电场条件下表现出良好的温度和频率稳定性，以及较高的电流密度和功率密度，使其在实际应用中具有较大的潜力。

在材料科学领域，研究如何优化电容器材料的性能，使其在中等电场条件下实现更高的能量密度和效率，是当前科研的重点方向。随着能量存储和脉冲功率系统的发展，对材料的集成度和小型化提出了更高的要求。传统的电容器材料虽然在某些方面表现良好，但在能量密度和充放电性能上仍存在明显不足，限制了其在高要求应用场景中的发展。因此，研究如何通过掺杂策略优化材料的性能，成为当前科研的重要课题。

本研究中，通过引入ALHN和MnO?，成功提升了材料的储能性能。ALHN的掺杂不仅增强了材料的离子混乱度，还促进了极化纳米区域的动态形成，从而提高了材料的储能效率。MnO?的加入则起到了抑制氧空位形成和细化晶粒的作用，进一步优化了材料的电性能。这种多离子共掺杂策略不仅提升了材料的储能性能，还增强了其在不同环境条件下的稳定性。

在实际应用中，温度和频率的稳定性对于电容器材料至关重要。尤其是在脉冲功率系统中，材料需要在较宽的温度范围内保持稳定的性能，以适应复杂的工作环境。本研究中，经过优化后的陶瓷材料在20–120 °C的温度范围内和1–100 Hz的频率范围内均表现出良好的稳定性，这表明其在实际应用中具有较强的适应能力。此外，材料还表现出较高的电流密度和功率密度，分别为905 A/cm2和72 MW/cm3，以及快速的充放电能力（t?.? = 47 ns），这些特性使得该材料在高功率密度和快速响应的应用场景中具有显著优势。

从材料的微观结构特性来看，XRD测试结果表明，所有样品均符合钙钛矿结构的特征，而Mn??的掺杂并未改变其基本相结构。然而，ALHN的引入对材料的相结构产生了显著影响，特别是在晶格畸变和极化行为方面。ALHN的掺杂使得材料内部的极化纳米区域更加动态，从而增强了材料的弛豫特性。这种弛豫特性有助于在充放电过程中实现更高的电荷密度，提高材料的整体性能。

在研究方法上，本研究通过系统分析多离子共掺杂对材料性能的影响，提出了一个有效的材料设计策略。该策略结合了Mn??的掺杂和ALHN的引入，使得材料在多个方面得到了优化。通过实验验证，该材料在中等电场条件下表现出较高的储能密度和效率，同时保持了良好的温度和频率稳定性。这些结果表明，该材料在实际应用中具有较高的可行性。

从应用角度来看，该材料的高储能密度和快速充放电能力使其在脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。脉冲功率系统通常需要材料在短时间内存储和释放大量能量，因此，高能量密度和高效率的材料显得尤为重要。本研究中，该材料在320 kV/cm的电场下实现了4.82 J/cm3的能量密度和84.3%的储能效率，这表明其在高功率密度和快速响应的应用场景中具有显著优势。

此外，该材料的高电流密度和功率密度也为其在实际应用中提供了更大的可能性。高电流密度意味着材料能够在短时间内传输更多的电荷，而高功率密度则表明材料能够承受更高的电场强度，从而实现更高的能量存储和释放效率。这些特性使得该材料在高功率密度和快速响应的应用场景中具有显著优势。

综上所述，本研究通过多离子共掺杂策略，成功优化了(Bi?.?Na?.?)?.??Ba?.??TiO?陶瓷材料的储能性能。Mn??的掺杂有效抑制了氧空位的形成，提高了材料的击穿电场强度，而ALHN的引入则增强了材料的离子混乱度，促进了极化纳米区域的动态形成，从而提升了材料的储能效率。这种多离子共掺杂策略不仅提升了材料的储能性能，还增强了其在不同环境条件下的稳定性。材料在中等电场条件下表现出良好的温度和频率稳定性，以及较高的电流密度和功率密度，使其在实际应用中具有较大的潜力。