無鉛儲(chǔ)能陶瓷：從“小眾”走向“大眾”

最近，化學(xué)圈、材料圈和物理圈都在關(guān)注一則消息：在近日公布的《2020研究前沿》報(bào)告（以下簡稱報(bào)告）中，核心論文篇數(shù)和被引頻次這兩項(xiàng)指標(biāo)并不突出的無鉛儲(chǔ)能陶瓷，竟然在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿中排名第一。

無鉛儲(chǔ)能陶瓷如此出眾，受訪專家并不意外，他們均提到“環(huán)保”和“能源”這兩個(gè)關(guān)鍵詞。

“無鉛”相對的就是“含鉛”。作為有毒的重金屬，鉛對人體及環(huán)境的影響已廣為人知。儲(chǔ)能陶瓷一般含有鉛元素，如鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等，其中100克鈦酸鉛中鉛含量高達(dá)68克。

隨著愈發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保要求以及能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的需要，“含鉛”變“無鉛”成為儲(chǔ)能陶瓷領(lǐng)域新的研究方向。

“小眾”無鉛儲(chǔ)能陶瓷憑借著“新”，逐漸走進(jìn)大眾，但這僅是讓更多人了解無鉛儲(chǔ)能陶瓷，距離真正走進(jìn)生活還有待時(shí)日。

從能源“大熱”說起

根據(jù)報(bào)告，無鉛儲(chǔ)能陶瓷在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿中，核心論文篇數(shù)僅有33篇，排名第六;被引頻次2130次，更是排在倒數(shù)第一。但無鉛儲(chǔ)能陶瓷領(lǐng)域核心論文的平均出版日期最近，為2017年9月。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，無鉛儲(chǔ)能陶瓷領(lǐng)域最早論文發(fā)表在1997年前后，起初只有10篇左右;到2010年，發(fā)表量也未過百。無鉛儲(chǔ)能陶瓷研究熱潮從2014年開始，此后熱度不減。

上述結(jié)果得到了西南大學(xué)材料與能源學(xué)院教授劉崗的肯定，他及其團(tuán)隊(duì)在統(tǒng)計(jì)相關(guān)論文時(shí)，也得到類似的結(jié)論?！敖?年來，無鉛儲(chǔ)能陶瓷的論文發(fā)表量雖然不是直線上升，但也一直呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢?！眲徴f。

巧合的是，2014年后也是能源領(lǐng)域論文開始增長的階段。

于是，有分析認(rèn)為，無鉛儲(chǔ)能陶瓷方向之所以“熱”，并不是學(xué)科研究方向發(fā)展的自我突破，而是在整個(gè)能源大背景下的“再發(fā)掘”。原因在于，早期對無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究集中在介電過程，而沒有將其同更綠色的能源應(yīng)用關(guān)聯(lián)到一起。

“可再生能源的間歇性特點(diǎn)限制了其利用，解決這一問題的關(guān)鍵是，將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在裝置里?！卑不沾髮W(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院教授汪春昌介紹道。

目前電能儲(chǔ)存裝置主要有化學(xué)儲(chǔ)能裝置，即電池和固體燃料電池;電化學(xué)電容器;介電儲(chǔ)能電容器?！敖殡妰?chǔ)能電容器各項(xiàng)指標(biāo)相對更優(yōu)?！蓖粢瞬C合分析發(fā)現(xiàn)，如果能提高介電儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能密度，則可減小儲(chǔ)能裝置的體積，使得其在小型化、集成化的電路系統(tǒng)中的應(yīng)用更廣泛，甚至有可能超過化學(xué)儲(chǔ)能裝置和電化學(xué)超級電容器在儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用水平。

儲(chǔ)能陶瓷正是介電儲(chǔ)能電容器所使用的重要材料，其具有較大的介電常數(shù)、較低的介電損耗、適中的擊穿電場、較好的溫度穩(wěn)定性、良好的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，使其在耐高溫介電脈沖功率系統(tǒng)有應(yīng)用前景。然而，目前儲(chǔ)能性能優(yōu)異的儲(chǔ)能陶瓷一般含有鉛元素。

2019年7月1日，歐盟修訂的《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》有關(guān)鉛的豁免條例正式實(shí)施。其中，條例明確指出電子電氣器件的玻璃或陶瓷（電容中介電陶瓷除外）中的鉛，或玻璃或陶瓷復(fù)合材料中的鉛的豁免最長至2024年。

“上述條例對儲(chǔ)能陶瓷器件還沒有明確的規(guī)定，”中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院副教授蔡子明在采訪時(shí)表示，“但從環(huán)保的角度而言，開發(fā)高性能無鉛儲(chǔ)能陶瓷是十分迫切的?！?/p>

儲(chǔ)能密度和效率要兼顧

無鉛儲(chǔ)能陶瓷由于具有高功率密度和快速充放電能力，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是功率變換和脈沖功率系統(tǒng)。但專家也表示，含鉛陶瓷的優(yōu)異性能目前還難以在無鉛陶瓷體系中實(shí)現(xiàn)。

就弛豫鐵電體而言，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)教授沈宗洋說，近年來弛豫鐵電體作為儲(chǔ)能電容器的研究越來越深入，報(bào)道的儲(chǔ)能密度和效率均很高，但其并沒有反鐵電的場致鐵電轉(zhuǎn)變特征。在他看來，最可行的方法是用無鉛的反鐵電陶瓷替代含鉛的反鐵電陶瓷。

“考核”儲(chǔ)能陶瓷的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率，兩者無法分開已成為業(yè)界共識(shí)。就目前的研究來看，儲(chǔ)能密度依然被當(dāng)作基礎(chǔ)和核心，在保證高儲(chǔ)能密度的基礎(chǔ)上，通過成分改性或結(jié)構(gòu)改性等手段來提高儲(chǔ)能效率?！叭绻麖膽?yīng)用角度來看，需要對儲(chǔ)能效率給予更多關(guān)注。”劉崗說。

蔡子明表示，無鉛弛豫反鐵電體系的研究，為無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究打開了新的思路。

據(jù)悉，李飛課題組的研究就屬于這一種。該課題組報(bào)道的NBT-SBT弛豫反鐵電陶瓷體系，兼具了高極化強(qiáng)度、高擊穿場強(qiáng)和高儲(chǔ)能效率，是最有希望商用的無鉛儲(chǔ)能陶瓷體系之一。但當(dāng)前報(bào)道無鉛的弛豫反鐵電陶瓷體系較少，源于將反鐵電陶瓷調(diào)控為弛豫反鐵電陶瓷具有一定的難度。

除此之外，基于高性能的無鉛儲(chǔ)能陶瓷體系，制備出多層陶瓷電容器（MLCC）是當(dāng)前研究的最大熱點(diǎn)。但蔡子明說，考慮到成本，開發(fā)高性能抗還原無鉛儲(chǔ)能陶瓷體系具有重要意義。

學(xué)科融合促發(fā)展

無鉛儲(chǔ)能陶瓷原本屬于凝聚態(tài)物理范疇，但因?yàn)樯婕暗健安牧?能源”，這一領(lǐng)域被看成是化學(xué)、材料和物理之間契合點(diǎn)的產(chǎn)物?！皩τ跓o鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究，亟須不同背景的研究者深入交流，為高性能無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究和應(yīng)用提供更多新的解決方案?！辈套用髡f。

“無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究是材料、物理與化學(xué)的強(qiáng)交叉。”蔡子明進(jìn)一步解釋道，材料學(xué)是無鉛儲(chǔ)能陶瓷研究的基礎(chǔ)，對于無鉛陶瓷材料的宏觀組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、電疇形貌等的研究均是材料學(xué)中的重要方法。對于無鉛陶瓷介電常數(shù)和介電損耗以及極化電場響應(yīng)對溫度或頻率的變化等內(nèi)容的理解，都需要以電介質(zhì)物理或鐵電介電物理為基礎(chǔ)。而對于無鉛儲(chǔ)能陶瓷的制備，無論是固相法還是化學(xué)法等，都離不開化學(xué)學(xué)科。

就目前而言，無鉛儲(chǔ)能陶瓷仍為“小眾”，大部分研究人員來自于傳統(tǒng)的電子陶瓷類研究機(jī)構(gòu)，一些物理和化學(xué)類頗有名氣的機(jī)構(gòu)較少涉足這一領(lǐng)域。

劉崗在英國伯明翰大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，研究主攻方向是陶瓷成型工藝。2013年回國后，基于西南大學(xué)的研究特色，特別是關(guān)注到專家學(xué)者主持的科技部“973”項(xiàng)目后，劉崗開始轉(zhuǎn)向功能陶瓷方向，關(guān)注無鉛儲(chǔ)能陶瓷。

劉崗介紹，他們團(tuán)隊(duì)分別從鈦酸鋇基和鐵酸鉍基無鉛儲(chǔ)能陶瓷體系出發(fā)，近期已陸續(xù)取得了一些重要進(jìn)展。

隨著國家的重視及越來越多研究人員的進(jìn)入，中國在無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究水平越來越高?！澳壳皣鴥?nèi)對無鉛儲(chǔ)能陶瓷的研究手段更加豐富，研究范圍更加全面?！辈套用髡f。

而這一點(diǎn)也在與報(bào)告同時(shí)發(fā)布的《2020研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》（以下簡稱《指數(shù)》）上得到印證。根據(jù)《指數(shù)》，在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域，中國的研究前沿?zé)岫戎笖?shù)得分為39.49分，是美國的2.7倍，排名第一，具有明顯的研究前沿研究活躍度比較優(yōu)勢。其中，中國在無鉛儲(chǔ)能陶瓷研究熱度指數(shù)得分為3.11，排名第二的美國僅為0.59。

但劉崗仍強(qiáng)調(diào)，只有不同學(xué)科深度融合，才能源源不斷地產(chǎn)出創(chuàng)新性成果，進(jìn)而為無鉛儲(chǔ)能陶瓷真正服務(wù)于國家需求與社會(huì)發(fā)展提供可能。