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同时具有超高能量密度和储能效率的无铅铁电陶瓷电容器

北极星储能网  来源:MaterialsViews    2020/1/7 10:12:15  我要投稿  

北极星储能网讯:固态介质电容器因其高功率密度和超快充放电速率而受到人们的高度关注。然而,其储能密度往往较小,且往往易受储能效率以及热稳定性的制约。

(来源:微信公众号“MaterialsViews” ID:materialsviews)

低储能效率意味着更多的电能被转化为热能,从而容易引起电容器在服役中失效。因此,设计和开发同时具有高储能密度、高效率和性能稳定的储能介质材料就至关重要。

弛豫铁电体和反铁电体陶瓷因能同时获得高饱和极化强度和近零剩余极化强度而具有实现优异储能性能的潜力。尽管反铁电陶瓷电容器的能量密度值近年来不断有新突破,但是其相应的储能效率仍不理想。相对于反铁电陶瓷而言,弛豫铁电体容易获得高的储能效率,然而相对较高的介电常数往往伴随其较低的介电击穿强度。因此,目前文献报道的弛豫铁电陶瓷的储能密度值普遍较低。

合肥工业大学左如忠教授课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,利用巧妙的组成设计,突破了高性能介质陶瓷中储能密度和效率相互制约的瓶颈。该课题组近期在前期大量工作的基础上开展了针对性的研究,成功设计和合成了BiFeO3-BaTiO3-NaNbO3三元系无铅钙钛矿铁电固溶体陶瓷。一方面因禁带宽度的增大、晶粒细化以及电阻率的提高,体系的介电击穿强度显著提高;另一方面,伴随组成调控介电弛豫程度明显增强,电畴结构逐渐由宏畴演变为纳米电畴。利用压电力显微镜和高分辨透射电子显微镜观测到局域结构不均匀的纳米微区结构,形成了对电场几乎无滞后的极化响应和对温度不敏感的高介电响应,为同时获得高储能密度、高储能效率和优异的温度稳定性提供了坚实的结构基础,并最终制备出性能优异的储能电容器,具有超高的放电储能密度~8.12 J/cm3、高储能效率~90%、优异的温度稳定性((±10%, -50~250oC)以及超快放电速率(t0.9<100 ns)。相关工作在线发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201903338)上。

该工作利用弛豫铁电体的高储能效率和优异温度稳定性的优势,以及铁酸铋材料的超高自发极化强度,并通过高禁带宽度的铌酸钠对局域纳米畴结构不均匀性、介电弛豫特性、微观形貌和电阻率等进行调控。研究者相信,这一组成设计理念和研究成果为设计下一代高性能脉冲功率储能电容器提供新的技术思路和理论指导。


原标题:AEnM:同时具有超高能量密度和储能效率的无铅铁电陶瓷电容器

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