中國粉體網(wǎng)訊 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士、林元華教授研究團(tuán)隊(duì)在無鉛儲(chǔ)能介電材料研究中取得重要進(jìn)展，通過對(duì)弛豫鐵電薄膜材料的穩(wěn)定的超順電設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了介電儲(chǔ)能性能的顯著提升，達(dá)到152J/cm3的超高儲(chǔ)能密度。該成果可為下一代高端儲(chǔ)能電容器提供關(guān)鍵材料和技術(shù)，也為介電新材料開發(fā)和其他基于弛豫鐵電的功能優(yōu)化提供了新的途徑。
據(jù)了解，目前用于介電儲(chǔ)能電容器的材料主要有陶瓷基材料 、聚合物基材料 、玻璃陶瓷基材料 、陶瓷聚合物基復(fù)合材料等。相較于其他介電儲(chǔ)能材料 ，介電陶瓷擁有較大的介電常數(shù) 、較低的介電損耗 、適中的擊穿電場(chǎng) 、較好的溫度穩(wěn)定性 、良好的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，因此介電儲(chǔ)能陶瓷材料在耐高溫介電脈沖功率系統(tǒng)有應(yīng)用前景，在去年12月公布的中科院基于2014-2019年論文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的《2020研究前沿》報(bào)告中，無鉛儲(chǔ)能陶瓷更是力壓生物、催化、電池等傳統(tǒng)熱門材料成為化學(xué)與材料科學(xué)類別最熱門前沿研究方向。
（疊片多層陶瓷電容器，來源：歐普電子）
無鉛儲(chǔ)能材料根據(jù)成分組成分為BT，ST，BF，KNN，NBT，AN和NN等，根據(jù)材料厚度的不同，陶瓷介質(zhì)通常可分為薄膜(厚度小于1μm)、厚膜(厚度介于1μm和100μm之間)和塊體(厚度大于100μm)三類。陶瓷薄膜是陶瓷基電介質(zhì)材料研究的另一重要方向。相比于塊體陶瓷而言，采用絲網(wǎng)印刷、流延法、溶膠凝膠、激光脈沖沉積、射頻磁控濺射、化學(xué)溶液沉積等方法制得的鐵電陶瓷薄(厚)膜，由于其具有均一、無氣孔的微觀結(jié)構(gòu)，在保持較高介電常數(shù)的前提下，可極大地提高材料的抗擊穿強(qiáng)度，因而可獲得更高的儲(chǔ)能密度。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)前期研究成果表明，具有納米鐵電疇結(jié)構(gòu)的弛豫鐵電薄膜是目前最有潛力的材料體系之一，已實(shí)現(xiàn)~100J/cm3的儲(chǔ)能密度和60~80%的儲(chǔ)能效率。然而，電疇翻轉(zhuǎn)能壘引起的損耗，限制了相關(guān)儲(chǔ)能性能的進(jìn)一步提升。
此次清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一系列Sm摻雜BiFeO3-BaTiO3（Sm-BFBT）的弛豫鐵電薄膜(厚度約0.6μm)，通過Sm離子引入的局域化學(xué)、結(jié)構(gòu)和電學(xué)異質(zhì)性，降低相變溫度，獲得滿足實(shí)際應(yīng)用需求的室溫超順電態(tài)。
Sm-BFBT超順電薄膜的介電、極化和儲(chǔ)能性能
相關(guān)成果以“超順電態(tài)弛豫鐵電中的超高儲(chǔ)能密度”（Ultrahigh energy storage insuperparaelectricrelaxorferroelectrics）為題，于10月1日在線發(fā)表于國際著名期刊《科學(xué)》（Science）上。材料學(xué)院已畢業(yè)博士生潘豪和2017級(jí)博士生藍(lán)順為文章共同第一作者，林元華教授、南策文院士及中科院物理所金奎娟研究員為文章共同通訊作者。論文重要合作者包括北京理工大學(xué)黃厚兵研究員、賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授，中科院物理所谷林研究員、張慶華研究員、郭爾佳研究員，劍橋大學(xué)朱迪絲·麥克馬努斯-德里斯科爾（Judith L. MacManus-Driscoll）教授，南洋理工大學(xué)王驍助理教授，清華材料學(xué)院易迪助理教授、孟繁琦博士、劉亦謙博士等相關(guān)人員。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目等的資助。
參考來源：清華大學(xué)網(wǎng)站、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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