近日，我院新能源材料实验室白王峰副教授的研究生丁昱钦以第一作者第一单位在Chemical Engineering Journal(影响因子：13.273)上发表题为“High capacitive performance at moderate operating field in (Bi0.5Na0.5) TiO3-based dielectric ceramics via synergistic effect of site engineering strategy”的研究论文。我院研究生丁昱钦、刘继康、李重阳，吴诗婷副教授，电子信息学院郑鹏副教授，中国计量大学张景基教授，同济大学翟继卫教授为共同作者。其中，学生丁昱钦为第一作者，白王峰副教授、郑鹏副教授和翟继卫教授为共同通讯作者。
环境友好的无铅介电陶瓷电容器以极快的充放电速率和优秀的抗疲劳特性被广泛应用与脉冲武器，新能源汽车和太阳能能量转换等系统中。具有极高可恢复能量密度以及效率的静电电容器有利于脉冲功率设备的小型化，集成化以及轻量化。
图1 不同储能设备的性能范围
钛酸铋钠(BNT)是电介质电容器中的常用物质，由其制成的器件具有高的极化强度，但是，较低的能量存储效率和较低的耐压使其储能密度还是难以达到传统铅基材料的水平。近年来，科学家通过不断地掺杂改性，以及多层陶瓷电容器技术极大的优化了BNT基陶瓷的储能密度。而这些研究成果中性能还有继续提升的空间。
该项工作以离子工程策略作为改性BNT基陶瓷的指导方案，研究了不同的离子掺杂对其储能表现的影响。先前的研究发现，使用离子掺杂可以有效地改善材料的介电性能、畴结构和击穿电场，在最大限度保证材料的极化强度的前提下，尽量提升储能效率和耐压有效改善BNT基陶瓷的储能特性，但是对于不同离子掺杂对性能的具体影响研究尚不完善。因此，实验通过传统固相制备法制备了0.9(0.7BNT-0.3ST)-0.1 Bi(M1,M2)O3 [M1 = Sn4+,Nb5+,M2 =
Ni2+,Mg2+,Zn2+ and Co2+ ] (BNT-ST-Bi(M1,M2)O3)陶瓷，基于对畴结构以及耐压的优化进行离子筛选，找到最优掺杂组合优化储能表现。
图2 实验设计原理图
本文通过协同效应以及裁剪M1M2组合的遍历-非遍历弛豫相边界实现了有利的B-O耦合极化的联合作用，同时克服了能量密度与介质击穿强度之间的负相关性，在中等的电场下获得了增强的能量密度(2.78-3.46 J/cm3)以及优异的热/频率/疲劳稳定性。此外将此陶瓷制成的器件充放电测试也获得了高的能量密度(1.15 J/cm3),功率密度(65.6 MW/cm3)和极短的放电时间(72ns)。这个实验体现了实验设计的合理性，并且使传统的BNT基陶瓷的潜力进一步开发，拓展了应用面。
图3 室温下不同掺杂样品的电滞回线以及储能性能变化和对比图。
该研究工作受浙江省自然科学基金和国家自然科学基金的支持。