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在各種能源存儲技術(shù)中，介質(zhì)儲能電容器因具有超高的功率密度、極快的充放電速度和較低的制造成本等方面的優(yōu)勢，在電能存儲領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。儲能密度、效率與熱穩(wěn)定性是衡量與評估介質(zhì)儲能電容器性能優(yōu)異與否的重要參數(shù)。如何開發(fā)具有優(yōu)異綜合儲能性能且熱穩(wěn)定性良好的介質(zhì)儲能電容器已經(jīng)成為一個目前亟需攻克的研究難點。

近日，西安交通大學微電子學院汪宏教授課題組通過疇工程調(diào)控，開發(fā)設(shè)計出一種具有高儲能密度、高儲能效率與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.5)O3無鉛弛豫鐵電儲能材料。該工作在多重尺度上系統(tǒng)研究了Bi(Mg0.5Zr0.5)O3的添加對BaTiO3基體材料在晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、介電性能與宏觀極化狀態(tài)、擊穿場強等方面的影響，尤其是在納米尺度對BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.5)O3體系疇結(jié)構(gòu)及其電場動力學的深入探索，為今后弛豫鐵電儲能材料的研究提供了理論依據(jù)。最終，汪宏教授課題組在BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.5)O3無鉛弛豫鐵材料中得到了2.9J×cm-3的儲能密度與86.8%的儲能效率，這是目前報道的無鉛陶瓷材料中最優(yōu)的綜合儲能性能。同時，該材料在30~150oC的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

上述研究成果以“Simultaneously achieved temperature-insensitive high energy density and efficiency in domain engineered BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.5)O3lead-free relaxor ferroelectrics”為題在國際著名期刊Nano Energy（IF=13.12）在線發(fā)表。西安交通大學電信學院博士生袁啟斌為本文第一作者，汪宏教授與姚方周博士為本文的共同通訊作者，西安交通大學為本文的第一署名單位，清華大學與南方科技大學為本文合作單位。該研究工作是汪宏教授課題組在電介質(zhì)儲能領(lǐng)域多項研究成果發(fā)表在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Nano Energy，Journal of Materials Chemistry A 等國際著名期刊后的又一重要成果。

該研究得到國家自然科學基金面上項目、國家“973”項目、國家重點研發(fā)項目等的支持。