基于相图和畴工程的高性能无铅储能陶瓷材料

为了满足先进脉冲功率电容器对微型化和集成化的需求，开发高性能储能材料至关重要。本研究基于相图设计了一种高性能无铅储能陶瓷材料 (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06LaxTiO3 (BNT-BT-xLa)。为了提高储能性能，我们提出了一种通过掺杂调节相和控制畴的策略。

研究结果表明，La3+ 离子掺杂到 BNT-BT 材料中可以改善晶体结构对称性，并诱导强烈的介电弛豫行为，从而破坏长程铁电有序并有效促进极性纳米区域的形成。在 x = 0.12 时，在 440 kV/cm 的高击穿电场下获得了约 5.93 J/cm3 的高可恢复能量密度 (Wrec) 和 77.6% 的较高能量存储效率 (η)。

通过采用两步烧结方法进行微观结构优化，可以进一步提高储能性能，得到更高的 Wrec (6.69 J/cm3) 和 η (87.0%)。此外，常规烧结和两步烧结样品均表现出优异的频率稳定性 (0.5−500 Hz)、热耐久性 (25−180 °C) 和疲劳抗性 (105 次循环)。

在脉冲充放电性能方面，样品在 240 kV/cm 的电场下表现出超短的放电时间 (t0.9 约为 89 ns 的常规烧结样品和约 75 ns 的两步烧结样品)。此外，基于有限元分析模拟了材料的击穿过程，结果表明，材料的高击穿强度归因于细小晶粒，这些晶粒在电场应用过程中显着阻碍了裂纹的传播。

这些结果表明，所提出的材料在高能量存储电容器方面具有巨大潜力。