超顺电工程驱动的BNT基介电储能陶瓷超宽温域稳定性研究

为解决介电陶瓷电容器在实际应用中温度稳定性不足的难题，研究人员通过超顺电工程(Superparaelectric engineering)设计合成(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBa(Zr0.2Ti0.8)O3陶瓷体系。0.7BNT-0.3BZT组分展现出5.4 J/cm3的可恢复储能密度(Wrec)和89.7%的储能效率(η)，在0-400°C温域内介电性能变化率<±9%，为无铅陶瓷电容器在脉冲功率系统的应用提供新方案。

　　

在电力电子和脉冲功率系统中，介电陶瓷电容器因其快速充放电能力备受青睐。然而现有材料面临"双重困境"：铅基陶瓷虽性能优异但存在环境毒性，而无铅替代品如BNT(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)基陶瓷又普遍存在储能密度(W_rec)不足、温度稳定性差等瓶颈。尤其在实际工况下，器件往往需要承受-50°C至200°C的极端温度波动，传统陶瓷的介电常数(ε')可能产生超过30%的漂移，导致系统可靠性骤降。

针对这一挑战，陕西师范大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地提出"超顺电工程"设计策略。通过将Ba²⁺/Zr⁴⁺引入BNT晶格构建0.7BNT-0.3BZT陶瓷，在保持钙钛矿(Perovskite)结构稳定性的同时，成功实现5.4 J/cm³的W_rec和89.7%的η，其介电性能在400°C宽温域内波动不足±9%，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用固相反应法制备陶瓷样品，通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，借助宽频介电阻抗谱仪测试介温特性，使用改良Sawyer-Tower电路测量铁电回线，并搭建脉冲放电平台评估实际储能性能。

【实验结果】
XRD图谱显示所有组分均形成单一钙钛矿相，随着BZT含量增加，(111)晶面衍射角向低角度偏移，证实Ba²⁺(半径1.61?)成功取代A位Na⁺(1.39?)。介电温谱中出现的"双介电峰"表明材料具有典型弛豫铁电体(Relaxor ferroelectric)特征，这是实现低剩余极化(P_r)的关键。

0.7BNT-0.3BZT在400 kV/cm场强下展现"细长型"电滞回线，其P_max达43 μC/cm²而P_r仅3.2 μC/cm²，这种"高极化-低滞后"特性源自超顺电纳米微区(10-20nm)的动态可逆翻转。频率稳定性测试显示，在1-100Hz范围内η波动<2%，优于多数报道的BNT基材料。

【结论与意义】
该研究通过精确调控Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃的固溶度，在BNT基体中构建出具有动态极性纳米微区的超顺电态。这种特殊结构使材料兼具高极化强度(源自Bi³⁺6s孤对电子)和低介电损耗(源自Zr⁴⁺的化学缓冲作用)，其2.4 J/cm³的放电密度(W_D)和39ns的放电速度(t_0.9)满足脉冲功率系统对"高储能-快响应"的双重要求。该工作为开发环境友好型高性能储能陶瓷提供了新范式。