作者介绍
通讯作者
陆智伦 助理教授
英国利兹大学
利兹大学工程与物理科学学院长聘助理教授、博士生导师。主持英国皇家学会和英国皇家化学学会等多项国家级项目。专注于探索先进功能材料的结构-成分-性能关系，尤其是铁电和热电材料，擅长运用阻抗谱技术研究电学性能，并善用同步辐射和中子散射技术阐明原子结构和晶格动力学。已在多本国际权威期刊发表学术论文70余篇。
文章导读
随着电子设备和电力系统的快速发展，高效、紧凑的能量储存设备需求日益增长。静电电容器因其快速充放电、高功率密度和优异的热稳定性等特点，成为电能储存领域的重要选择。在静电储能系统中，电介质材料是储存电荷的关键组件，它的研究与发展至关重要。
近年来，无铅反铁电材料因其环境友好、低成本和优异的介电性能等优点，成为静电储能研究的热门候选，其中，铌酸钠 (NaNbO3) 基材料以其出色的击穿场强和高能量密度，吸引了科研人员的广泛关注，但关于其储能特性的系统研究仍相对有限。NaNbO3基材料有望在静电储能领域实现超越传统铅基材料的性能，为开发新一代高性能、环保的电容器储能设备提供了新的可能。
英国利兹大学陆智伦助理教授及其合作者在 Ceramics 期刊发表了综述文章“Lead-Free NaNbO3-Based Ceramics for Electrostatic Energy Storage Capacitors”。文中全面总结了NaNbO3基无铅电介质陶瓷在电容器储能应用方面的最新研究进展，包括晶体结构、相转变、化学改性等方面，并探讨了提高NaNbO3基陶瓷储能性能的几种策略，如微观结构调控、电学性能优化和相工程等。该综述展现了NaNbO3基材料在电化学储能领域的巨大应用潜力。图1展示了钙钛矿介电材料从晶体结构和极化到电容器及电动汽车应用的示意图。
图1. 钙钛矿介电材料从晶体结构和极化到电容器及电动汽车应用的示意图
主要内容
引言
截至目前，AgNbO3和NaNbO3被认为是无铅反铁电材料的代表。图2展示了从2015年到2024年在Scopus索引期刊上发表的关于用于储能的无铅反铁电材料的学术论文数量。从图中可见，关于NaNbO3的学术论文数量更多。这是由于NaNbO3的合成和加工过程比AgNbO3更具成本效益，原材料较便宜并且在烧结过程中不需要保护性气氛。
图2. 无铅反铁电材料用于静电储能的论文发表数量 (2015~2024年)
反铁电材料基础与应用
反铁电材料与铁电材料密切相关，但具有独特特性：铁电材料在外部电场下形成单一极化电滞回线，而反铁电材料表现为双极化电滞回线，且缺乏宏观自发极化。反铁电材料最初主要用于驱动应用，现在日益被广泛地视为适用于高能量密度的储能电容器，特别是在电子领域的高密度功率应用中。反铁电材料因其在能量存储方面具有独特的优势，逐渐引起人们对其新兴应用方面的关注，如超快神经形态计算、隧道结、混合电荷陷阱存储器等， 这些应用主要归因于反铁电材料具有场诱导相变的特性。
储能用介电电容器
反铁电材料 (图3d) 与铁电材料 (图3b) 和弛豫铁电材料 (图3c) 相比，通常具有较低的剩余极化 (Pr) 和较高的最大极化 (Pmax)，这使得它们在能量存储方面具有潜在优势。反铁电材料的特征是具有方形的可恢复能量区域的电滞回线，这种独特的相变特性使它们在能量存储方面优于线性介电材料 (图3a) 和铁电材料。反铁电材料的性能可通过适当的掺杂策略、微观结构优化来改善，这些方法可以减少剩余极化、调整相变临界电场，并提高陶瓷的性能和可靠性。
图3. 电滞回线示意图：(a) 线性介电材料、(b) 铁电体、(c) 弛豫铁电体、(d) 反铁电体，其中可回收能量密度 (𝑊rec) 和能量损耗 (𝑊loss) 分别以蓝色和橙色区域表示。
NaNbO3基陶瓷的结构特征
NaNbO3具有复杂的晶体结构，在不同温度下呈现多种相态，如图4所示。其中，P相 (反铁电) 和Q相 (铁电) 在低温下能量水平相近。纯NaNbO3通常不表现出稳定的双极化电滞回线，这与其他反铁电材料如PbZrO3或AgNbO3不同。影响NaNbO3相稳定性的因素包括化学组成、起始原料和晶粒尺寸等。研究者通过化学改性，如掺杂和固溶体，试图稳定反铁电相并实现双极化电滞回线。这些改性策略主要通过调节容忍因子和极化率来影响相稳定性。此外，非公度相的存在被认为在电场诱导的反铁电-铁电相变中起关键作用。总的来说，NaNbO3基材料的相操控和性能优化仍是当前研究的重点和挑战。
图4. NaNbO3随温度变化的相变示意图
调控NaNbO3基陶瓷的储能性能
NaNbO3基陶瓷的储能性能可通过多种策略进行优化。这些策略包括引入MnO2作为电子陷阱，化学掺杂 (如Bi2O3和Ta)，以及综合的微观结构调控、电学性能调节和相工程。MnO2的添加降低了介电损耗并提高了材料电阻，而化学掺杂则有助于提高最大电场强度和降低剩余极化；微观结构调控涉及晶粒尺寸控制和多层陶瓷电容器 (MLCC) 的应用，电学性能调节聚焦于优化带隙和电学均匀性，而相工程则通过形成固溶体来诱导弛豫体特性。这些方法综合作用，显著提高了NaNbO3基材料的能量存储密度、效率和稳定性，使其在无铅电容器材料领域展现出巨大潜力，特别是在宽温度范围和长循环寿命应用中表现优异。
文章总结
本文综述了反铁电材料的基本特性和应用领域，重点阐述了反铁电储能电容器的优势。它强调了无铅NaNbO3基反铁电材料的最新研究进展，并概述了基于NaNbO3的静电储能电容器领域的主要挑战，详细讨论了提高NaNbO3基陶瓷储能性能的有效策略。
过去十年，环保无铅反铁电材料的研发取得了显著进展，其中NaNbO3基材料展现出非常有潜力的储能密度 (>18 J/cm3)，超过了含铅材料。然而，对无铅反铁电材料的探索仍处于起步阶段，面临诸多挑战，包括相变行为的复杂、结构表征的困难、化学改性的影响，以及对反铁电性本质机理的深入理解等。另外，为了能精细调节多晶NaNbO3中反铁电和铁电序的平衡，更好地理解单晶中的相变行为非常必要。未来研究方向包括优化材料组成和制备技术以进一步提高性能，降低烧结温度以兼容更经济的电极材料，以及提高温度稳定性和长期可靠性。尽管挑战仍存，但实验和理论研究方法的持续发展为开发具有优异能量存储能力的无铅反铁电材料提供了广阔的前景。
原文出自 Ceramics 期刊：https://www.mdpi.com/2800974
进入期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/ceramics
Ceramics 期刊介绍
主编：Gilbert Fantozzi, MATEIS Laboratory UMR CNRS 5510, France
期刊主题包括但不限于：非晶陶瓷和结晶陶；生物陶瓷和陶瓷在生物学中的应用；陶瓷加工方法和制造；陶瓷材料的结构与微观结构研究；陶瓷的机械、电气、光学、磁性或热性能；陶瓷的热力学、动力学、化学和热稳定性；陶瓷在能源、电子、光子学和磁学中的应用等。
2023 Impact Factor：2.7
2023 CiteScore：3.0
Time to First Decision：25.2 Days
Acceptance to Publication：3.5 Days
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