各种场合对能源的巨大需求使得储能装置成为工业界和科学界长期关注的焦点。电介质陶瓷以其优异的功率密度和快速充放电速度而闻名，由于其在脉冲功率系统中不可替代的作用，目前已受到广泛关注。然而，与电化学电容器和电池相比，介电陶瓷电容器的能量存储密度（用于描述一次可释放的最大能量）相对较低。开发具有理想储能性能的先进介质电容器对推动电子设备的集成化和微型化意义重大。虽然，独特的燧石诱导相变使得反铁电（AFE）陶瓷在开发具有理想储能性能的先进电容器方面具有天然优势。然而，低击穿强度（BDS）已成为制约 AFE 陶瓷储能性能的关键因素之一，而基于调节费尔德诱导应变行为的设计策略来优化击穿强度的研究较少。

来自同济大学和中北大学的学者首先提出在PSrZS基体中引入 Nd3+ 以诱导不相称的调制 AFE 相。得益于这种策略，毡诱导的应变得到了很好的分散，电场下的应变率（应变/电场）显著降低。因此，通过引入Nd3+ 在基体中诱导不相称的调制 AFE 相，结合延迟饱和极化调节应变行为，大大提高了 BDS，从 350 kV/cm 提高到540 kV/cm，并显著优化了几个关键参数，包括磁滞宽度和相位切换电场。结果，在室温 530 kV/cm 下，0.03 掺钕 PSrZS 陶瓷获得了14.21 J/cm3 的出色可回收能量密度和 87.35% 的高效率。实际放电性能也很突出。在 PSrNd0.03ZS 陶瓷中获得了 2111 A/cm2的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。该样品还表现出 9.11 J/cm3 的高放电能量密度。本研究在 PSrNd0.03ZS陶瓷中获得了 2111 A/cm2 的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。该样品还显示出 9.11 J/cm3 的高放电能量密度。这项工作中获得的巨大储能特性为进一步提高储能性能提供了一种新策略，并证明了 AFE 陶瓷在利用先进陶瓷电容器推动电子设备微型化和集成化方面的巨大潜力。相关工作以题为“Field-induced strain engineering to optimize antiferroelectric ceramics in breakdown strength and energy storage performance”的研究性文章发表在Acta Materialia 。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119186

图 1. 含 Nd3+和不含 Nd3+ 样品的应变/电场和极化/电场差异示意图

图 2. (a) Nd0-Nd4 的室温 XRD 图。 (b) Nd0-Nd4 的 (200/002)- 衍射峰。 (c-g) Nd0-Nd4 的 SEM 图像。 (h) Nd0-Nd4 的平均晶粒尺寸统计图。

图 3. (a) N0-N4随温度变化的介电常数和介电损耗以及 Nd3 相区的插图。(b) Nd3 在 400 kV/cm 下不同温度下的 P-E磁滞回线。(c) Nd3 在 25 ℃ 至 350 ℃ 不同温度下的原位 XRD 图。

图 4. PSrNd0.03ZS陶瓷在 25 ℃ 至 350 ℃不同温度下的拉曼光谱

图 5. (a) Nd0-Nd4 在最大电场下的极化-电场环。(b) Nd0-Nd4 的 AFE-FE 相开关场、FE-AFE 相开关场和磁滞宽度。 (c) Nd0-Nd4 的 Wrec 和效率。 (d) 330 kV/cm 时 Nd0 的偏振-电场环和应变-电场环。(e) 490 kV/cm 时 Nd3 的偏振-电场环和应变-电场环。(f) 与 AFE-FE 相变相对应的 Nd0 极化与应变的相关性。(g) 与AFE-FE 相变相对应的 Nd3 极化与应变的相关性。(h) Nd3 与各种代表性陶瓷的 Wrec 和效率比较

图 6. (a) 不同电场下钕铁硼的放电能量密度。(b) Nd3 在不同电场下的放电电流随时间的变化 (c) Nd3 在不同电场下的最大放电电流、最大放电电流密度和最小放电电流密度。(d) Nd3 的 CD 和 PD与现有代表性陶瓷的比较

总之，通过调节电场诱导的应变行为，在提高 BDS 的基础上优化储能性能的新策略在这项工作中被证明是有效的。与相应调制的 AFE 相相比，Nd3+ 的引入将诱导应变/电场较低的不相应调制 AFE 相。得益于良好的分散应变和延迟饱和极化，BDS 从 Nd0 的 350 kV/cm 显著增加到 Nd4 的 540 kV/cm，同时一些关键参数，包括相位切换场和磁滞宽度也得到了很好的优化。结果，在室温 530 kV/cm 下，Nd3 的 Wrec值为 14.21 J/cm3，是 Nd0的 1.6 倍，效率高达 87.35%，在各种陶瓷电容器中处于先进水平。同时，充放电性能也很突出，在 Nd3 中获得了 2111 A/cm2 的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。样品还表现出 9.11 J/cm3 的高放电能量密度，其中 90% 的能量可在 218 ns 内快速释放。总之，这项工作对应变对 BDS 的影响进行了切实可行的思考，并提供了一种有说服力的尝试，即通过引入 Nd3+ 来诱导不相称调制 AFE 相，以调节毡化诱导应变行为，从而实现 BDS 和储能性能的显著提高，这对于 AFE 陶瓷开发旨在实现微型化和集成化的先进陶瓷电容器具有重要意义。（文：SSC）

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