通过顺电工程技术在基于钛酸钡的无铅陶瓷中实现温度稳定的直流偏置能量存储

《Journal of the American Ceramic Society》：Temperature-stable direct current-biased energy storage in barium titanate-based lead-free ceramics via paraelectric engineering

高温高压电源转换器中，通过顺电态工程对BaTiO3陶瓷添加La(Zn2/3Nb1/3)O3改性并掺入1wt.%SiO2，成功在25-125℃温度范围内实现200kV/cm直流电场与50kV/cm交流复合场下的优异性能。改性陶瓷表现出小于3%的能量密度温度漂移、>95%的高效充放电特性，且在5-200Hz频段和10^5次循环测试中分别保持<1%和<1.5%的能量密度衰减。这种基于界面工程与相结构调控的解决方案为高密度无铅铁电储能器件提供了新路径。

　　

摘要

高能量密度多层陶瓷电容器对于高密度电源转换器至关重要。无铅钛酸钡（BaTiO₃）基铁电陶瓷因其高介电常数而被广泛用于低压场景。然而，铁电状态表现出强烈的介电非线性，这限制了其在高电压下作为高密度电源转换器的应用。在顺电状态下，介电非线性显著降低，但该状态仅出现在约130°C或更高的温度。在这项研究中，通过顺电工程手段对BaTiO₃进行了改性，使其在工作温度范围内保持顺电状态。优化后的0.92BaTiO₃-0.08La(Zn_2/3Nb_1/3)O₃-1 wt.%SiO₂陶瓷表现出优异的温度稳定性：在25–125°C的宽温度范围内，当施加200 kV/cm直流（DC）电场和50 kV/cm交流（AC）电场时，其能量密度变化小于3%，效率超过95%。高效率与阻抗分析中晶粒和晶界贡献的一致性有关。通过对温度依赖性的电流密度-电场曲线进行反卷积处理，可以发现：在直流偏置电场下，主要的线性贡献和最小的漏电流在不同温度下几乎保持不变。此外，该优化陶瓷在5–200 Hz的频率范围内具有出色的频率稳定性，并且循环可靠性高达10⁵次循环，放电能量密度的变化分别小于1%和1.5%。所提出的顺电工程为提高无铅铁电材料的温度稳定性、增强直流偏置能量存储能力以及应用于高密度电源转换器提供了有前景的方法。