近日，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院王大伟研究员（通讯作者），与英国谢菲尔德大学IanM.Reaney教授（通讯作者）、澳大利亚伍伦贡大学的张树君教授（通讯作者）等合作，以Electroceramics for High Energy Density Capacitors: Current Statusand Future Perspectives(高能量密度电容器电子陶瓷的现状与展望)为题，在综述类顶刊ChemicalReviews（IF=52.758）上发表综述文章。论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c01264#该综述指出，电介质储能陶瓷电容器属于无源组件类别的电能储存设备，仅多层陶瓷电容器（MLCC）每年就有超过3万亿个应用在各类别电子产品中。仅仅在过去的两年时间（2018-2020）里，对于各类电介质储能陶瓷电容器的新材料研究推动其储能性能指标增长数倍，其文章发表数量更是在过去的十年内（2010-2020）成指数增长。在中科院基于2014-2019年论文数据统计的《2020研究前沿》报告中，无铅储能陶瓷更是力压生物、催化、电池等传统热门材料成为化学与材料科学类别最热门前沿研究方向。
电介质储能陶瓷电容器应用领域及过去十年内论文发表情况储能陶瓷的起源及发展1746年，荷兰科学家Pieter van Musschenbroek发明了世界上最原始形式的电容器储能装置——莱顿瓶。莱顿瓶是一个玻璃容器，内外包覆着金属箔作为极板，瓶中插入一根金属导电棒，上端为球形电极，下端连接容器内侧金属箔，这就构成了以玻璃瓶为电介质的电容器。1752年，富兰克林著名的“费城实验”肯定了“起储电作用的是瓶子本身”。后来人们发现，只要两个金属板中间隔一层绝缘体就可以制成电容器，而并不一定要制造莱顿瓶一样的装置，自此拉开了电容器介质材料的研究序幕。
静电电容器的示意图，其中d，P，ε0是电位移，偏振，和自由空间（电常数），分别电容率。高能量密度电容器用电子陶瓷分类在此次发表的综述中，对于电介质储能电子陶瓷领域的突出贡献主要体现在以下三个方面：第一，从物理性质、电学性质、材料微观结构及材料电学微观结构等角度总结了优化陶瓷能量密度的关键因素。除已报道的微观结构因素外，还讨论了电学微观结构对优化能量密度的重要性，例如降低电导率和促进电学同质性等方面在优化击穿场强中起着至关重要的作用。第二，对于至今已报道的高能量密度电介质陶瓷做了最全面的分类和总结（铅基/无铅块状陶瓷、多层陶瓷、陶瓷膜类和玻璃陶瓷），集中讨论了针对各类关键材料的优化方法，使读者清楚了解每一种材料关键品质因数的优缺点以及目前科研的最新技术水平。第三，首次详细给出了如何通过构建弛豫铁电体和改善反铁电体来实现组分优化和性能提升，为该领域的未来研究提供了极为宝贵的指南。在这里小编就不做赘述，以下只对几种高能量密度电容器电子陶瓷大类进行总结。1、铅基储能陶瓷铅基储能陶瓷在需要高压和高温的现代微电子学中，例如在脉冲功率和功率电子应用中，作为储能材料具有巨大的潜力。与无铅材料相比，学术界缺乏研究铅基材料的普遍性，这意味着对新型系统的探索非常有限。自发极化将反映无铅陶瓷所采用的一些设计原理，尤其是在结合了AFE和弛豫端部件的固态解决方案中。另外，需要进一步的工作来了解晶体结构和相变行为。许多系统的调制方式不尽相同，因此它们对AFE / FE切换的影响有待进一步探讨。2、无铅储能陶瓷论述中对无铅候选材料进行了广泛的研究和总结，包括基于BT，ST，BF，KNN，NBT，AN和NN的系统。由于围绕制造和最终使用含铅产品的潜在环境法规，对无铅材料的研究远远超过了基于铅的材料，结果就是在过去的五年中，储能性能的优化取得了长足的进步。关于无铅储能陶瓷能否替代铅基陶瓷的争论已经持续了二十多年。在大多数指标上，基于铅基陶瓷的成分通常要比无铅成分好。但是，只要无铅的性能，可靠性和成本与PZT竞争，无铅储能陶瓷极有可能在未来几年内开始取代铅基陶瓷并实现大规模生产及相关环境立法。3、玻璃陶瓷微晶玻璃具有制造容易，高Wrec，超高η（低能量耗散），超快的充放电速度，出色的温度/频率稳定性等优点，但是仍然存在挑战。通常，增加晶相的体积分数会增加ε/ P，但会降低BDS。关键是要平衡εR和BD获得最高WREC。晶化和控制晶相/微观结构的机理仍然是模棱两可的，应使用先进的TEM和原位XRD / TEM作为应用场和温度的函数进行进一步研究。国内近几年的部分研究成果2018年，中国科学院上海硅酸盐研究所董显林团队以钛酸钡（BaTiO3）为基体，设计并合成了一种新型高性能BaTiO3基弛豫铁电体（BaTiO3-Bi(Zn1/2Sn1/2)O3）储能介质材料。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2018,6, 17896-17904)和ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10, 12755-12765）上。2019年，西安交通大学电信学部电子学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室、国际电介质研究中心魏晓勇团队在BaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3(BT-BMT)无铅弛豫铁电陶瓷体系中获得了高的储能性能。该研究成果以“Achieve ultrahigh energy storage performance in BaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3relaxor ferroelectric ceramics via nano-scale polarization mismatch and reconstruction”为题，在材料科学领域著名期刊Nano Energy(IF=15.548)上在线发表。论文连接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.1042642020年5月，同济大学翟继卫教授课题组在新能源与材料科学领域类顶级期刊Energy Storage Materials上发表“Significantly enhanced energy storage density and efficiency of BNT-based perovskite ceramics via A-site defect engineering”为题的研究成果。论文连接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.05.026同年，西安交通大学电信学部徐卓、李飞课题组基于钙钛矿晶体电致伸缩效应的各向异性特点，提出了一种新的设计思路，即通过控制晶粒取向，降低陶瓷电容器在强场下所产生的应变和应力，避免微裂纹和拉伸应力所导致的陶瓷击穿，从而提高其击穿电场强度和储能密度，获得目前已知陶瓷电容器的最高值。相关成果于6月15日在线发表于《自然—材料》。论文连接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-0704-x2021年，西南大学刘岗教授课题组在钛酸钡基弛豫铁电体陶瓷研究领域取得进展。相关成果以“Energy storage performance of BaTiO3-based relaxor ferroelectric ceramics prepared through a two-step process”为题再次发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129673参考来源：[1]张光祖.储能用无铅铁电陶瓷介质材料研究进展[2]王大伟等.高能量密度电容器用电子陶瓷的现状与展望[3]高能量密度电容器用电子陶瓷的现状与展望.中国粉体网编译[4]西安交通大学、西南大学、上海硅酸盐研究所、同济大学等Tips
