- 教授
- 博士生导师
- 硕士生导师
- 电子邮箱：
- 入职时间：2009-12-31
- 学历：硕博连读
- 性别：男
- 学位：博士
- 在职信息：在职
- 毕业院校：西安交通大学
- 所属院系：电子科学与工程学院
- 学科：电子科学与技术
- 发布时间：2025-04-15
- 文章标题：西安交通大学科研团队Small | 超低能量损耗Bi0.5Na0.5TiO3基储能陶瓷材料
- 内容：
https://mp.weixin.qq.com/s/AmN4cY2wV4CF-Y_EdLUGtQ
01
研究背景
多层陶瓷电容器（Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC）凭借其优异的电学性能和结构稳定性，在航空航天、电力传输及消费电子等多个关键领域发挥着不可替代的作用。以无铅电介质材料为基础制备的MLCC器件，不仅具备快速的充放电能力和较高的功率密度，还能够在复杂多变的环境条件下保持良好的运行稳定性，逐渐展现出在混合动力汽车、脉冲电源系统等领域的应用潜力。然而，受限于相对较低的能量存储密度，这类器件难以满足电子和电力系统对高集成度和小型化的严苛需求。因此，提升电介质材料的能量存储密度已成为推动高功率储能器件发展的关键性技术挑战。
02
论文摘要
近期，国际知名材料科学期刊Small报道了西安交通大学电子科学与工程学院周迪教授团队在无铅电介质陶瓷材料储能研究方面取得的最新进展。论文题目为：Near-Zero Energy Dissipation Multilayer Ceramic Capacitors via Inhomogeneous Polarization Design (DOI: 10.1002/smll.202501062)。在本研究中，周迪教授团队提出并成功实施了一种结合非均质极化结构设计与原型器件制备的创新策略，实现了钛酸铋钠（BNT）基多层陶瓷电容器在储能密度和能量转换效率方面的双重突破。研究通过引入异质阳离子（Ba2+、Zn2+、Nb5+）调控材料结构，增强其内部的随机场，诱导室温下具有不同局部对称性的纳米畴共存结构。这种特殊的微观结构显著降低了极化的各向异性与铁电畴翻转势垒，从而实现了低能量损耗的储能行为。实验结果表明，构建的20BZN-MLCC器件在620 kV·cm-1的电场强度下，获得了9.1 J·cm-3的储能密度以及97.5%的能量转换效率，并在宽温度区间和不同频率条件下均表现出优异的储能稳定性。结果充分验证了非均质极化结构设计策略在提升储能性能方面的可行性与有效性，同时构建了组分-结构-性能之间的联系。
西安交通大学电信学部电子科学与工程学院硕士生刘津男与博士生赵维琛为共同第一作者，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授、徐谛明助理教授、赵维琛博士为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划子课题项目、陕西省国际合作项目等项目的资助，西安交通大学国际电介质研究中心提供了大量测试表征支持。
03
主要研究内容
图1.非均质极化结构设计策略提升无铅陶瓷储能性能的示意图。
图2. (a) (1-x)BNNT-xBZN陶瓷的XRD图谱；(b) 在最大测试电场下，(1-x)BNNT-xBZN陶瓷的单极P-E曲线；(c) 各组分陶瓷的��rec和��；(d) (1-x)BNNT-xBZN陶瓷的晶粒形貌SEM图像；(e) (1-x)BNNT-xBZN陶瓷的Eb与Ga；(f) 特征组分陶瓷的紫外吸收光谱；(g) 特征组分陶瓷在575 °C下的阻抗谱；(h) 特征组分陶瓷的激活能；(i) x=0.20陶瓷在575 °C下的Z″和M″频谱图。
图3. (a) (1-x)BNNT-xBZN陶瓷在200 kV·cm-1下的单极P-E曲线；(b) (1-x)BNNT-xBZN陶瓷的介电温度谱图；(c) x=0和x=0.20陶瓷的面外PFM相位和振幅图；(d)、(e) x=0和x=0.20陶瓷XRD精修图。
图4. (a) x=0.20陶瓷沿[100]c方向的原子分辨率HAADF-STEM极化矢量图；(b) 极化角度分布图；(c) 极化幅度的定量分析。
图5. (a) 20BZN-MLCC的截面SEM图像及相应元素分布的EDS图谱；(b) 不同外加电场下20BZN-MLCC的单极P-E曲线；(c)不同电场下的Wrec和η；(d) 20BZN-MLCC的Wrec和η与其他已报道块体陶瓷和MLCC的性能对比；(e) 本研究的WF与其他已报道块体陶瓷和MLCC的对比；(f)、(g) 在450 kV·cm-1电场下，20BZN-MLCC的Wrec和η随温度和频率的变化；(h) 20BZN-MLCC的过阻尼放电曲线。
04
团队介绍
周迪，教授、博士生导师、西安交通大学电子科学与工程学院副院长，现任Journal of Advanced Dielectrics期刊副编辑。在国际知名期刊发表科技论文300余篇（Nature Communications, Adv Funct Mater, J Am Ceram Soc, J Eur Ceram Soc, Energy Environ Sci, Chem Mater, J Mater Chem (A/C), Angew Chem Int Edit, Inorg Chem, Acta Mater, Appl Phys Lett等，其中第一作者文章60篇，通讯作者文章共236篇），总引用次数17000余次（Google Scholar H-index=70），申请中国发明专利25项（已授权17项）。多次参加功能陶瓷类国际学术会议（亚洲电子陶瓷会议Asian Meeting on Electroceramics,国际陶瓷会议International Conference on Ceramics, International Symposium on Integrated Functionalities等），获得国际衍射数据中心标准X射线衍射卡八项。更多内容欢迎访问周迪教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220。
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文章信息
https://doi.org/10.1002/smll.202501062
