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摘要
北京工业大学侯育冬教授团队基于缺陷工程策略设计MnO2掺0.7BiFeO3-0.3BaTiO3（0.7BF-0.3BT）无铅体系，研究揭示MnO2掺杂量位于固溶限时可以实现多种机制协同作用——包括极化构型优化，Fe离子氧化态控制与缺陷偶极子稳定畴结构，从而实现无铅压电能量收集器在250℃下有效发电。
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压电能量收集技术作为促进能量转换的环境友好型方法之一，受到了全世界广泛关注，已成为科学研究的前沿领域。在过去几十年的探索中，虽然研发出一些新型无铅压电陶瓷，并在一些常规压电器件，比如商用无铅换能器等方面有了一些实用案例，但是在以高温压电能量收集器为代表的高端压电器件领域，无铅压电陶瓷仍然难以被应用。在高温实现无铅压电陶瓷振动能量收集的工作还未见报道，因为这需要无铅压电陶瓷在高温下同时具备高的品质因数（FOM）、高退极化温度（Td）以及优异的高温绝缘电阻率（r），这些不可或缺的因素在无铅压电陶瓷中难以同时实现，成为目前阻碍无铅压电能量收集在高温应用的瓶颈之一。
近期，北京工业大学侯育冬教授团队利用缺陷工程在0.7BiFeO3-0.3BaTiO3（0.7BF-0.3BT）无铅体系中掺入MnO2，当Mn离子含量达到在0.7BF-0.3BT体系中的固溶限，由于多种效应的协同作用，包括：极化构型的优化，增加了FOM；高价Mn离子调控Fe离子氧化态，减弱漏导损耗，改善高温绝缘电阻率r；缺陷偶极子维持畴结构稳定，提升Td，实现了综合性能的平衡。最终，使用精细设计的无铅压电陶瓷组装的高温压电能量收集器可以在250℃下对商用电解电容进行快速充电，且展现出优异的能量转换效率（h = 11.43%）。研究结果表明，通过缺陷工程调制的BF-BT无铅压电陶瓷能够满足高温压电能量收集器的使用需求，为开发工作在高温环境下的自供电无线传感器开辟了一条新的途径。该工作以“Defect Engineering with Rational Dopants Modulation for High‑Temperature Energy Harvesting in Lead‑Free Piezoceramics”为题发表于国际知名期刊Nano-Micro Letters （IF=31.6），北京工业大学博士研究生席凯彪和硕士研究生郭健哲为论文的共同一作，材料科学与工程学院侯育冬教授为通讯作者。
上述工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的资助。
图1. (a) 高温环境智能监测场景；(b) Mn掺杂BF-BT陶瓷体系构建高温能量收集器的缺陷工程原理示意图。
图2 基于缺陷偶极子稳定畴结构机制提升Td。
图3 使用精细设计的无铅压电陶瓷组装的高温压电能量收集器在250℃下的能量收集性能
文章信息
Defect Engineering with Rational Dopants Modulation for High‑Temperature Energy Harvesting in Lead‑Free Piezoceramics
Kaibiao Xi, Jianzhe Guo, Mupeng Zheng, Mankang Zhu, Yudong Hou*
Nano-Micro Letters
DOI:10.1007/s40820-024-01556-5
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