缺陷工程调控核壳结构NaNbO3基储能陶瓷的高性能设计与机理研究

针对无铅储能陶瓷极化强度低、储能性能受限的难题，研究人员通过Fe/Sb双变价元素协同调控策略，设计出具有核壳结构的(1-x)NaNbO3-xSr(Fe1/3Sb2/3)O3陶瓷体系。该研究通过缺陷工程优化空位缺陷浓度与相结构，实现了ΔP（极化差）与击穿电场Eb的协同提升，最终获得6.4 J/cm3的高可恢复储能密度（Wrec）和80%的效率（η），为高性能无铅储能材料开发提供新思路。

　　

随着绿色清洁能源的快速发展，高性能介电电容器在脉冲功率设备中的应用需求激增。然而传统铅基材料存在环境毒性问题，而无铅储能陶瓷如NaNbO₃(NN)体系又面临极化强度低（ΔP）、击穿电场（E_b）不足等瓶颈。如何通过材料设计同时提升ΔP（= P_max - P_r）和E_b，成为该领域的关键科学问题。针对这一挑战，国内研究人员在《Journal of Materiomics》发表最新成果，通过创新的缺陷工程策略，成功制备出具有核壳结构的(1-x)NaNbO₃-xSr(Fe_1/3Sb_2/3)O₃（xSFS）陶瓷体系，实现了储能性能的突破性进展。

研究团队采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、压电力显微镜（PFM）等多尺度表征技术，结合相场模拟和复阻抗谱（CIS）分析，系统探究了材料的结构-性能关系。通过Fe/Sb双变价元素协同调控，引入可控氧空位缺陷并构建核壳异质结构，同时利用相变工程优化弱耦合极性相比例。

1. 晶体结构与相演变
XRD精修显示所有组分均呈现钙钛矿结构，随x增加发生正交相（AFE P, Pbma）向四方相（P4mm）转变。0.13SFS陶瓷中正交相（AFE R, Pnma）与四方相共存，这种多相共存结构通过非公度嵌套产生强极化响应。

2. 微观形貌与缺陷分布
TEM揭示0.13SFS陶瓷存在10-100 nm条纹状纳米域的核壳结构。EDS图谱显示壳层富集Sr/Fe/Sb元素并伴随氧空位，而核区富含Na/Nb/O元素。这种成分梯度分布通过局域电荷补偿效应调控氧空位浓度，XPS证实氧空位含量与Sb⁵⁺还原程度直接相关。

3. 畴结构与弛豫动力学
PFM动态观测显示，与传统NN陶瓷的大尺寸铁电畴相比，0.13SFS陶瓷的亚微米畴在撤压后15分钟内完全恢复，证实其优异的弛豫特性。这种快速响应的纳米畴结构是实现高ΔP和低P_r的关键。

4. 介电击穿机制
CIS分析表明，0.13SFS陶瓷具有高达1.5 eV的晶界活化能（E_gb），氧空位传导机制主导其电学行为。相场模拟显示，亚微米晶粒产生的高密度晶界可分散局部电场，使击穿路径沿平行电场方向的晶界缓慢扩展，显著提升本征击穿强度。

5. 储能性能优化
在645 kV/cm场强下，0.13SFS陶瓷获得28.508 μC/cm²的P_max和6.4 J/cm³的W_rec，效率达80%。性能提升源于三方面协同：(1) 核壳结构增强极化响应；(2) 弱耦合四方相降低P_r；(3) 优化氧空位浓度提升E_b。

该研究通过多尺度调控策略，首次阐明Fe/Sb变价元素-氧空位-相结构-储能性能的构效关系，建立的缺陷工程模型（公式10-13）为定量预测氧空位浓度提供理论框架。所开发的核壳结构设计理念，不仅为无铅储能材料研究开辟新途径，其揭示的亚微米畴快速响应机制对柔性电子器件开发也具有重要启示意义。