中國粉體網訊 目前主流的電能存儲器件主要有四種，分別是：化學儲能裝置(電池)、固體氧化物燃料電池(SOFCs)、電化學電容器(ECs)和靜電電容器(電介質電容器)。圖中可以看出，四種電能存儲器件均不能具備高的儲能密度的同時兼顧高的功率密度。
四種儲能方式的電容器儲能密度與功率密度關系圖
結合四種電能存儲器件的優缺點認為：電介質電容器電能儲存裝置更具經濟性、可適用性，更安全可靠，在電容器領域具有好的發展前景。而儲能陶瓷正是介電儲能電容器所使用的重要材料，其具有較大的介電常數、較低的介電損耗、適中的擊穿電場、較好的溫度穩定性、良好的抗疲勞性能等優點，在耐高溫介電脈沖功率系統上有應用前景。就可查證的文獻資料統計，截至目前，就儲能性能方面而言，含鉛陶瓷要優于無鉛陶瓷。
眾所周知，鉛元素毒性極強，在工業生產、日常使用和廢氣后處理過程中都對人體和生態有著極強的危害。所以，如何減少能源損耗，提高儲存效率、獲得更多有效儲能、減少能量損耗、減輕環境負擔，發展無毒無害、環境友好型的綠色可再生能源，成為人們關注和研究的重點，也成為眾多學者研究者發展提升儲能技術與高質量儲能密度介質材料的重要推動力。
無鉛儲能陶瓷的特性及應用
無鉛儲能陶瓷，主要是以具有鐵電、壓電等特性為核心的非線性電介質材料為主。與傳統的線性電介質相比，非線性電介質材料的有效儲能密度較大，具有更大的應用潛力于實際中；另外，無鉛材料則具有環境友好、密度小于鉛基材料的特性，便于在實際應用中實現輕質化、便攜化。無鉛儲能陶瓷介電容器與目前被廣泛研究的超級電容器一樣，都具有高的功率密度(~108W/kg)、快的充放電速度(<1μs)和長的循環壽命(~5萬次)等優點。
在探究儲能特性方面，具有擊穿場強適中、介電損耗較低、溫度穩定性和抗疲勞優良等優異特性，在航空航天、新能源發電、動力汽車、電磁脈沖武器、新能源發電、醫用手術激光、混合動力汽車、核物理技術、資源勘探和定向武器等方面都有著廣闊的前景，是脈沖功率裝置中最核心的元部件之一，在電力電子系統中扮演著越來越重要的作用。因此，陶瓷態無鉛儲能材料被認為是一種新型的、具有較高耐熱性能的優選材料，是可持續發展的、可再生的、具備發展潛力的儲能材料。
根據《2020研究前沿》(2014-2019)報告顯示，在化學與材料科學研究領域，“無鉛儲能陶瓷”已經成為國際上最受關注的前沿研究熱點方向，充分體現了我國科研人員以及國際社會對該領域課題的高度關注。在此背景下，無論是為防止我國在這一領域被日本、歐美等發達國家“卡脖子”，還是為了適應我國的未來發展方向，都需要加大在陶瓷介質電容器元件這一領域的支持和研發力度。
無鉛儲能陶瓷的研究現狀
針對無鉛儲能陶瓷的研究，目前研究較多的體系有鈮酸鈉(NaNbO3,簡稱NN)、鈦酸鋇(BaTiO3, 簡稱BT)、鈮酸銀(AgNbO3, 簡稱AN)、鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3, 簡稱KNN)等體系。
■ 鈮酸鈉體系（NaNbO3）
NaNbO3是一類典型的無鉛無毒無污染、低密度和低成本的新型材料，是一類非常重要的鈣鈦礦結構的反鐵電材料。在儲能方面，NN基陶瓷具有很多優異特性，例如既具備高的居里溫度(370℃)，又具有高的機電耦合系數、大的擊穿場強、高的飽和極化值(~40 μC/cm2)等，在介電儲能領域具有很大應用前景。但純的NN剩余極化強度(Pr)高，導致其可恢復儲能密度和能量效率低，不利于儲能的優化。為了獲得更佳儲能特性的電介質容器，眾多學者研究者對NN基陶瓷進行了深入研究。
NN基陶瓷提升儲能特性主要表現在：
（1）離子摻雜改善晶粒尺寸，增強擊穿場強，提升極化強度；
（2）選擇優良原料供應商，降低化學差異性。良好的可重復性同時也為材料從基礎研究到實際應用奠定了基礎。
（3）改善工藝，探索更佳燒結方式。
■ 鈮酸銀體系（AgNbO3）
AgNbO3是NN體系之外，另一重要的反鐵電體系，由于早期觀察到非零小剩余極化，被認為表現出弱鐵電性。為了提升鈮酸銀基陶瓷的儲能特性，研究人員通過金屬氧化物摻雜，降低材料的容忍因子，提高陶瓷材料的反鐵電性，最終提升儲能特性。雖然鈮酸銀基陶瓷具有較高的儲能密度，在應用方面可能具有巨大優勢，但其反鐵電的特有P-E圖，表現出較大能量損耗，另外，Ag原料成本高，制備工藝復雜，使得鈮酸銀基陶瓷電容器在儲能方面的實際量產應用有待加強。
■ 鈦酸鋇體系（BaTiO3）
BaTiO3基陶瓷是發現最早、研究最早、最受歡迎的無鉛弛豫鐵電體之一，具有介電系數高、介電損耗小等優勢。但是純的BT基陶瓷居里溫度低，在居里溫度之上會發生相變，導致其適用工作溫度范圍狹窄，難以滿足極端條件下的使用，限制了其在高性能儲能設備領域的發展。為此，有學者對其進行離子取代形成固溶體進行儲能特性改良，研究出BZT陶瓷和BST陶瓷，并在最佳制備工藝下獲得的不錯的儲能密度和儲能效率。
■ 鈮酸鉀鈉體系（KNN）
K0.5Na0.5NbO3基陶瓷是一種將傳統的鈮酸鈉體系進行Na+離子替換形成的比較新的鈣鈦礦結構陶瓷，具有致密的微觀結構且晶粒尺寸較小，居里溫度較高，是較優異的壓電材料，但關于其的儲能特性的研究相對較少。在光學特性方面，KNN陶瓷具有良好的透光性，在透明面板以及相應光學儀器方面具有應用前景。起初對于KNN陶瓷的研究是針對其壓電性能方面的研究，之后逐漸便有了研究人員對KNN基各性能的研究：
（1）固溶第二組元提升KNN儲能特性。
（2）金屬氧化物作助燒劑，可以一定程度降低晶粒尺寸和氣孔率，進而提升 KNN陶瓷的儲能性能。
■ 其他體系
目前研究較為廣泛的無鉛儲能陶瓷體系還有很多，比如鈦酸鉍鈉(Bi0.5Na0.5TiO3, 簡稱BNT)體系和鐵酸鉍(BiFeO3,簡稱BF)體系等。
BNT陶瓷是是一種具有鈣鈦礦結構的材料，其居里溫度較高，室溫下呈鐵電相，其較高的居里溫度和較大的剩余極化強度限制了BNT在室溫條件和儲能領域下的發展。
BiFeO3基陶瓷是一種被研究最多的多鐵性體系，有較高居里溫度、較大自發極化、在室溫下觀察到鐵磁和鐵電特性的特點，多被應用于高溫鐵電和壓電領域。但純的BF陶瓷具有較大的泄漏電流，早期不被認為在儲能方面有大的前景。為了改善該特性，有研究者引入合金等摻雜劑抑制電流泄露，配方優化，降低電導率，使得BF體系獲得較優異的儲能特性。
小結
儲能陶瓷的應用已經貫穿于我們生活的方方面面：上至航空航天、新能源發電、動力汽車等領域，下至人們的日常出行，說明儲能陶瓷材料已經成為脈沖功率設備中最關鍵的元件之一，在電力電子系統中發揮著日益重要的作用。
（a）儲能陶瓷的應用, (b)2010-2020 年電介質儲能材料論文發表情況
從近十年鉛基陶瓷、無鉛基陶瓷、多層陶瓷與陶瓷粉薄膜的文章發行量來看，無鉛基陶瓷占著越來越多的比重，看出人們在追求物質與精神生活水準的同時，也越來越重視對環境的保護。所以，研發高儲能性能的無鉛環保材料刻不容緩。
來源：
馮游：NaNbO3基電子陶瓷的制備及電學性能研究
科大材子之家：科海泛舟|高功率，高效益，你不知道的無鉛儲能陶瓷
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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