编号：NMJS09501
篇名： Bi2.8La1.2Ti3O12基储能陶瓷的制备及性能研究
作者： 赵运凯
关键词： BLT基储能陶瓷; 电学性能; 疲劳稳定性; 第一性原理计算;
机构：烟台大学
摘要： 在新型电介质储能材料研究中,具有低剩余极化（Pr）和高饱和极化(Pmax)特点的弛豫铁电体（REFs）备受关注,但作为研究热点的(Na0.5Bi0.5)TiO3和(K0.5Na0.5)NbO3等其较低的居里温度（TC）导致难以满足宽温域储能器件的需求。值得注意的是,新型无铅弛豫铁电体Bi2.8La1.2Ti3O12（BLT）基陶瓷兼具高TC和优异抗疲劳特性,为高温储能应用提供了新思路。然而BLT基陶瓷的应用仍然受限于较低的击穿场强（Eb）和较大的Pr。针对上述问题,本研究通过A位离子掺杂,B位等比例复合离子共掺杂以及A/B位离子共掺的方式,结合第一性原理计算探索了离子掺杂对BLT储能陶瓷电学性能的影响。主要研究内容如下: （1）研究了Sr2+离子A位掺杂的Bi2.8-xLa1.2SrxTi3O12（x=0,0.02,0.04,0.06）储能陶瓷。Sr2+的掺杂减小晶粒尺寸,提高晶粒均匀度和提高TC值。在x=0.04时,Eb提高为190 kV/cm,获得中等有效储能密度(Wrec=0.73 J/cm3)和较高储能效率（η=80.1%）。同时,显示出良好的温度稳定性（30-80℃）和疲劳稳定性（10～4循环下）。第一性原理计算表明,Sr2+掺杂增大了A位原子对价带顶和导带底的贡献,增强了与O原子和Ti原子之间的轨道杂化,揭示了铁电性能变化的原因。 （2）为了进一步提高储能效率和耐疲劳性能,研究了A/B位离子共掺的Bi2.8-xLa1.2Ti3-xO12-xBa Sn O3（x=0.04,0.05,0.06,0.07）储能陶瓷。少量的Ba2+和Sn4+掺杂可以减小晶粒尺寸、提高Tc并增大弛豫因子γ。在100 Hz频率下,单极P-E回线显示出细长的特性。在x=0.05时,Eb为210 kV/cm,获得较高有效储能密度(Wrec=0.73J/cm3)和储能效率（η=86.7%）,还具有良好的介电稳定性（35-215℃）。此外,在高致密度和小尺寸晶粒的协同作用下,BLT-0.05BSN陶瓷在110 kV/cm条件下循环10～6次后,显示出极佳的疲劳稳定性(ΔWrec在20℃时小于3.8%,在50℃时小于3.6%)。分子模拟技术表明,铁电极化变化与Bi/Ti原子和O原子间明显的轨道杂化,以及A/B位离子的无序位移有关。 （3）采用熵工程策略调控的(Bi2.8La1.2)(Ti3-4xSnxZrxFexNbx)（x=0,0.04,0.05,0.06）储能陶瓷,XRD图谱显示形成了铋层状结构,结合B位阳离子尺寸差异表明掺入大离子半径元素致衍射峰向低角度偏移。熵值提高使晶粒尺寸减小,均无明显孔洞。BLT-0.05SZFN陶瓷样品具有较高的居里温度（TC=492℃）和最高弛豫因子（γ=1.9）,并且Eb为150 kV/cm,获得中等的储能密度(Wrec=0.53 J/cm3)和高的储能效率（η=85.1%）。在室温到80℃的范围内Wrec和η的变化范围分别小于18%和7.7%,同时在10～4次循环测试范围Wrec变化率仅为2.3%,η均维持在88%,这些结果充分展示了BLT-0.05SZFN陶瓷具有较好的稳定性。