Sr0.7M0.2TiO3（M=Bi、Sm、La、Gd）掺杂对（Bi0.5Na0.5）0.94Ba0.06TiO3陶瓷储能材料性能的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.xb2026.0015

摘要/Abstract

摘要： 本文采用固相烧结法制备了0.95（Bi_0.5Na_0.5）_0.94Ba_0.06TiO₃-0.05Sr_0.7M_0.2TiO₃（M=Bi、Sm、La、Gd，BNBT-SMT）陶瓷储能材料，针对其晶体结构、介电温谱、铁电性能及储能性能展开研究。XRD结果表明，所有陶瓷样品在经过1 125 ℃烧结后均呈现单一的钙钛矿结构。介电温谱结果表明，所有陶瓷样品均呈现出弛豫铁电体的典型特征。掺杂Sr_0.7M_0.2TiO₃后，样品的电滞回线曲线形态呈明显的演变趋势，其形状逐渐由较为宽阔且饱和极化值较大的“宽胖型”特征，向更为细窄、剩余极化强度较小且矫顽场强相对较低的“细长型”转变。同时最大极化强度（P_max）得到明显的提高，进而改善了材料的储能性能。当M=Bi且外加电场为4 kV/mm时，有效储能密度达到最佳值W_rec=0.29 J·cm^-3，其对应的储能效率η=51.4%。

关键词: 固相烧结; 钙钛矿; 钛酸铋钠; BNBT-SMT; 电滞回线; 储能性能

Abstract: In this paper，ceramic energy-storage materials of 0.95（Bi_0.5Na_0.5）_0.94Ba_0.06TiO₃-0.05Sr_0.7M_0.2TiO₃ （M=Bi，Sm，La，Gd，BNBT-SMT） were prepared by the solid-state sintering method，and their crystal structure，dielectric temperature spectra，ferroelectric properties，and energy-storage properties were investigated. XRD results show that all ceramic samples exhibit a single perovskite structure after sintering at 1 125 ℃. The dielectric temperature spectra indicate that all ceramic samples display typical characteristics of relaxor ferroelectrics. With Sr_0.7M_0.2TiO₃doping，shape of the hysteresis loop curves of samples exhibit an obvious evolution trend，and its shape gradually changes from the “wide fat type” characteristic with wider and larger saturation polarization value to the “slender type” with narrower，smaller remanent polarization intensity and relatively lower coercive field strength. Meanwhile，the maximum polarization intensity （P_max） is significantly enhanced，thereby improving the energy-storage properties of the materials. When M=Bi and the applied electric field is 4 kV/mm，the recoverable energy-storage density reaches the optimal value of W_rec=0.29 J·cm^-3，and the corresponding energy-storage efficiency of η= 51.4%.

Key words: solid-state sintering; perovskite; sodium bismuth titanate; BNBT-SMT; hysteresis loop; energy-storage property

中图分类号:

TQ174

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图/表 8

表1 不同改性BNBT基陶瓷的储能性能比较

Table 1 Comparison of energy-storage properties of different modified BNBT-based ceramics

Chemical formula	W_rec/（J·cm^-3）	η/%
BNBT-100xBZT	1.46	81.90
BNT-6BT-xST	5.48	87.00
BNBT-SNN-xNN	1.52	82.00
0.6BNT-0.21BT-0.19BiScO₃	4.22	86.83
BNBT-0.25Sr（Ta_0.5Sb_0.5）O₃	8.30	82.30
BNBT-0.075BiScO₃	0.46	47.91
BNBT-0.15La	0.60	86.00
BNBT-0.11Sr₅LaTi₃Ta₇O₃₀	1.21	94.04

图1 不同陶瓷样品的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of different ceramic samples

图2 不同陶瓷样品的SEM照片

Fig.2 SEM images of different ceramic samples

图3 不同陶瓷样品的介电常数和介电损耗随温度的变化曲线

Fig.3 Temperature dependence of dielectric constant and dielectric loss of different ceramic samples

图4 不同陶瓷样品在1 kHz下的修正居里-外斯拟合曲线

Fig.4 Modified Curie-Weiss fitting curves of different ceramic samples at 1 kHz

图5 不同陶瓷样品的铁电与储能性能

Fig.5 Ferroelectric and energy-storage properties of different ceramic samples

图6 不同陶瓷样品在4 kV/mm下的Pmax、Pr和ΔP

Fig.6 Pmax，Pr and ΔP of different ceramic samples at 4 kV/mm

表2 不同陶瓷样品的弥散系数与储能参数比较

Table 2 Comparison of diffuseness coefficient and energy-storage parameters of different ceramic samples

Sample	γ	W_rec/（J·cm^-3）	η/%	E_b/（kV·mm^-1）	ΔP/（μC·cm^-2）
BNBT	1.89	0.13	36.8	5.0	10.56
BNBT-Bi	1.91	0.29	51.4	6.0	13.86
BNBT-Sm	1.92	0.21	49.4	5.8	13.46
BNBT-La	1.91	0.22	49.3	5.3	14.26
BNBT-Gd	1.83	0.16	24.2	5.5	12.74

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Sr_0.7M_0.2TiO₃（M=Bi、Sm、La、Gd）掺杂对（Bi_0.5Na_0.5）_0.94Ba_0.06TiO₃陶瓷储能材料性能的影响

Effect of Sr_0.7M_0.2TiO₃(M=Bi, Sm, La, Gd) Doping on Properties of (Bi_0.5Na_0.5)_0.94Ba_0.06TiO₃ Ceramic Energy-Storage Materials

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