语言
各种场合对能源的巨大需求使得储能装置成为工业界和科学界长期关注的焦点。电介质陶瓷以其优异的功率密度和快速充放电速度而闻名，由于其在脉冲功率系统中无法替代的作用，目前已受到广泛关注。然而，与电化学电容器和电池相比，介电陶瓷电容器的能量存储密度（用于描述一次可释放的最大能量）相比来说较低。开发具有理想储能性能的先进介质电容器对推动电子设备的集成化和微型化意义重大。虽然，独特的燧石诱导相变使得反铁电（AFE）陶瓷在开发具有理想储能性能的先进电容器方面具有天然优势。然而，低击穿强度（BDS）已成为制约 AFE 陶瓷储能性能的重要的条件之一，而基于调节费尔德诱导应变行为的设计策略来优化击穿强度的研究较少。
来自同济大学和中北大学的学者首先提出在PSrZS基体中引入 Nd3+ 以诱导不相称的调制 AFE 相。得益于这种策略，毡诱导的应变得到了很好的分散，电场下的应变率（应变/电场）明显降低。因此，通过引入Nd3+ 在基体中诱导不相称的调制 AFE 相，结合延迟饱和极化调节应变行为，大幅度的提升了 BDS，从 350 kV/cm 提高到540 kV/cm，并显著优化了几个关键参数，包括磁滞宽度和相位切换电场。结果，在室温 530 kV/cm 下，0.03 掺钕 PSrZS 陶瓷获得了14.21 J/cm3 的出色可回收单位体积内的包含的能量和 87.35% 的高效率。实际放电性能也很突出。在 PSrNd0.03ZS 陶瓷中获得了 2111 A/cm2的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。该样品还表现出 9.11 J/cm3 的高放电单位体积内的包含的能量。本研究在 PSrNd0.03ZS陶瓷中获得了 2111 A/cm2 的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。该样品还显示出 9.11 J/cm3 的高放电单位体积内的包含的能量。这项工作中获得的巨大储能特性为进一步提升储能性能提供了一种新策略，并证明了 AFE 陶瓷在利用先进陶瓷电容器推动电子设备微型化和集成化方面的巨大潜力。相关工作以题为“Field-induced strain engineering to optimize antiferroelectric ceramics in breakdown strength and energy storage performance”的研究性文章发表在Acta Materialia 。
图 1. 含 Nd3+和不含 Nd3+ 样品的应变/电场和极化/电场差异示意图
图 6. (a) 不同电场下钕铁硼的放电单位体积内的包含的能量。(b) Nd3 在不同电场下的放电电流随时间的变化 (c) Nd3 在不同电场下的最大放电电流、最大放电电流密度和最小放电电流密度。(d) Nd3 的 CD 和 PD与现有代表性陶瓷的比较
总之，通过调节电场诱导的应变行为，在提高 BDS 的基础上优化储能性能的新策略在这项工作中被证明是有效的。与相应调制的 AFE 相相比，Nd3+ 的引入将诱导应变/电场较低的不相应调制 AFE 相。得益于良好的分散应变和延迟饱和极化，BDS 从 Nd0 的 350 kV/cm 明显地增加到 Nd4 的 540 kV/cm，同时一些关键参数，包括相位切换场和磁滞宽度也得到了很好的优化。结果，在室温 530 kV/cm 下，Nd3 的 Wrec值为 14.21 J/cm3，是 Nd0的 1.6 倍，效率高达 87.35%，在各种陶瓷电容器中处于领先水平。同时，充放电性能也很突出，在 Nd3 中获得了 2111 A/cm2 的超高电流密度和 507 MW/cm3 的功率密度。样品还表现出 9.11 J/cm3 的高放电单位体积内的包含的能量，其中 90% 的能量可在 218 ns 内快速释放。总之，这项工作对应变对 BDS 的影响进行了切实可行的思考，并提供了一种有说服力的尝试，即通过引入 Nd3+ 来诱导不相称调制 AFE 相，以调节毡化诱导应变行为，以此来实现 BDS 和储能性能的显著提高，这对于 AFE 陶瓷开发旨在实现微型化和集成化的先进陶瓷电容器具备极其重大意义。（文：SSC）
