上海硅酸鹽所鈦酸鋇基鐵電陶瓷研究取得進(jìn)展
時(shí)間：2022-06-21
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鈦酸鋇基鐵電陶瓷具有高功率密度、高耐電強度和充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子和脈沖功率系統中具有重要應用。介質(zhì)陶瓷的有效介電常數（ΔP/ΔE）和耐電強度（BDS）本征上相互制約，當前研究主要是通過(guò)降低有效介電常數，提高耐電強度或提升有效介電常數來(lái)補救儲能密度的降低，制約了高功率脈沖儲能器件向輕量化、小型化的發(fā)展。如何獲得寬溫范圍內高而穩定的儲能密度是高功率儲能器件應用亟需解決的問(wèn)題。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所鐵電陶瓷材料與器件研究團隊提出一種新的陶瓷設計策略，緩解BDS與ΔP/ΔE的相互制約，在不影響儲能效率的前提下實(shí)現了儲能密度提高。以鈦酸鍶鋇（BST）為基，在A(yíng)位引入Bi3+增強極化率，提高有效介電常數；同時(shí)采用兩步合成粉體方法，調控離子擴散，構筑“核殼”結構晶粒，有效延長(cháng)擊穿路徑，陶瓷耐電強度從460 kV/cm提高到550 kV/cm。ΔP/ΔE和BDS的協(xié)同提升提高了介質(zhì)陶瓷的儲能性能：儲能密度5.92 J/cm3，儲能效率81%。相關(guān)研究結果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上?！?br />
此外，介質(zhì)陶瓷的儲能效率和外場(chǎng)下儲能性能穩定性在工程應用中十分重要?？蒲腥藛T通過(guò)在B位引入Hf離子取代Ti離子，降低了鐵電陶瓷極性納米微區尺寸、活性、數量和相互偶極作用力，抑制了載流子躍遷，提高了材料的禁帶寬度、電阻率和擊穿強度，改善了BST陶瓷的介電非線(xiàn)性和極化滯后，極化損耗顯著(zhù)降低，儲能效率和介電性能溫度穩定性大幅提升。研究獲得了兼具高儲能密度（Wrec =5.47 J/cm3）和儲能效率（η = 90.6% ）無(wú)鉛鐵電陶瓷，該陶瓷在寬溫范圍（-95-125 ℃）展現優(yōu)異的儲能溫度穩定特性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C上。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中國工程物理研究院、中科院重點(diǎn)部署和國際合作項目的資助。
通過(guò)核殼結構工程和組分設計突破有效介電常數與耐電強度間的矛盾，實(shí)現儲能性能大幅度提升
0.93Ba0.55Sr0.39Zn0.06TiO3-0.07BiMg2/3Nb1/3O3陶瓷的（a）P-E回線(xiàn)（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲能性能隨電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜陶瓷的（a）P-E回線(xiàn)（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲能性能隨電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜
陶瓷不同溫度（3a,3b）、不同頻率（3c,3d）、不同外場(chǎng)循環(huán)次數（3e,3f）下P-E曲線(xiàn)、儲能密度和儲能效率。
摘自中國科學(xué)院網(wǎng)
此外，介質(zhì)陶瓷的儲能效率和外場(chǎng)下儲能性能穩定性在工程應用中十分重要?？蒲腥藛T通過(guò)在B位引入Hf離子取代Ti離子，降低了鐵電陶瓷極性納米微區尺寸、活性、數量和相互偶極作用力，抑制了載流子躍遷，提高了材料的禁帶寬度、電阻率和擊穿強度，改善了BST陶瓷的介電非線(xiàn)性和極化滯后，極化損耗顯著(zhù)降低，儲能效率和介電性能溫度穩定性大幅提升。研究獲得了兼具高儲能密度（Wrec =5.47 J/cm3）和儲能效率（η = 90.6% ）無(wú)鉛鐵電陶瓷，該陶瓷在寬溫范圍（-95-125 ℃）展現優(yōu)異的儲能溫度穩定特性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C上。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中國工程物理研究院、中科院重點(diǎn)部署和國際合作項目的資助。
通過(guò)核殼結構工程和組分設計突破有效介電常數與耐電強度間的矛盾，實(shí)現儲能性能大幅度提升
0.93Ba0.55Sr0.39Zn0.06TiO3-0.07BiMg2/3Nb1/3O3陶瓷的（a）P-E回線(xiàn)（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲能性能隨電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜陶瓷的（a）P-E回線(xiàn)（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲能性能隨電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜
陶瓷不同溫度（3a,3b）、不同頻率（3c,3d）、不同外場(chǎng)循環(huán)次數（3e,3f）下P-E曲線(xiàn)、儲能密度和儲能效率。
摘自中國科學(xué)院網(wǎng)
