中國(guó)粉體網(wǎng)訊 世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展總是伴隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源需求的不斷增加，因此高效儲(chǔ)能技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和商業(yè)界廣泛關(guān)注。儲(chǔ)能陶瓷電容器作為脈沖電力電子應(yīng)用的核心部件，其發(fā)展具有重要意義。與目前可用的其它電能存儲(chǔ)設(shè)備(電池、燃料電池和超級(jí)電容器)相比，其優(yōu)點(diǎn)包括快速充電/放電的能力，更高的功率密度和更長(zhǎng)的壽命等，這對(duì)于先進(jìn)電力電子設(shè)備向小型化和集成化的發(fā)展具有決定性意義。然而，能量密度小和/或能量效率低以及溫度不穩(wěn)定性是促進(jìn)介電陶瓷電容器實(shí)際應(yīng)用的主要阻礙。
圖1.BMT15-RRP陶瓷中多態(tài)PNRs共存的異質(zhì)結(jié)構(gòu)
根據(jù)介質(zhì)電容儲(chǔ)能的公式和基本原理，高性能電容器應(yīng)具有高擊穿Eb、大的最大極化強(qiáng)度(Pmax)與剩余極化強(qiáng)度(Pr)差值(Pmax-Pr)、極化飽和緩慢和溫度不敏感等特點(diǎn)。弛豫鐵電材料RFEs被認(rèn)為是極具優(yōu)化潛力的候選材料，因其納米疇發(fā)生極化轉(zhuǎn)換所需的能量勢(shì)壘低，而鐵電體FEs的微米級(jí)疇具有強(qiáng)互耦作用。目前公認(rèn)的增強(qiáng)弛豫行為的方法是通過(guò)在FEs中引入順電或線性端元以誘導(dǎo)無(wú)序結(jié)構(gòu)或納米疇，比如BT-BaZrO3和BF-SrTiO3等。類(lèi)似地，通過(guò)將順電組元SrTiO3(ST)或Sr2+引入到室溫下呈R相的BNT陶瓷的A位點(diǎn)，可以在BNT-ST弛豫體系中實(shí)現(xiàn)菱方(R3c,R)和四方(P4bm,T)相納米疇的共存結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在這種多態(tài)納米疇結(jié)構(gòu)中，極化各向異性和能量勢(shì)壘明顯受損，導(dǎo)致極化在電場(chǎng)下的轉(zhuǎn)換比單相納米疇更加平順。然而，一些初步工作發(fā)現(xiàn)，過(guò)量引入Sr2+會(huì)導(dǎo)致較大的Pmax損失而限制儲(chǔ)能性能的優(yōu)化。因此，協(xié)調(diào)多態(tài)納米疇的比例以增大Pmax-Pr值和優(yōu)化制備工藝以提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)為此項(xiàng)工作的研究重點(diǎn)。
圖2.BMT15-RRP陶瓷在不同測(cè)試條件下(電場(chǎng)、溫度、頻率和循環(huán)次數(shù))的儲(chǔ)能特性
針對(duì)這一問(wèn)題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3(BNST)弛豫鐵電陶瓷中引入Bi(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)端元，設(shè)計(jì)出一種R相和T相極性納米微區(qū)(PNRs)嵌入C相順電基體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖一所示。通過(guò)組分調(diào)制優(yōu)化R相和T相納米疇的比例，實(shí)現(xiàn)疇的最平順切換路徑，在保持最大極化的同時(shí)最小化極化滯后。結(jié)果表明，隨著弛豫體系化學(xué)復(fù)雜度的增加，極化無(wú)序程度加劇，誘導(dǎo)的多態(tài)PNRs極大地優(yōu)化儲(chǔ)能性能的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的溫度不敏感性。此外，由于組織結(jié)構(gòu)均勻致密，平均晶粒尺寸呈指數(shù)級(jí)降低，反復(fù)軋膜工藝(RRP)增強(qiáng)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb這一關(guān)鍵參數(shù)，使得該體系同時(shí)保持了與鉛基陶瓷相當(dāng)?shù)某遅rec值10.28 J·cm-3和η值(97.11%)，優(yōu)于目前報(bào)道的其它無(wú)鉛體系，特別是其能量損耗極低。此外，該陶瓷在寬溫范圍(25-200 ℃)內(nèi)具有較高的性能和穩(wěn)定性(Wrec~6.35±9% J·cm-3，η~94.8%±3%)，如圖二所示。這些結(jié)果表明，這種多組元設(shè)計(jì)可以被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)下一代高性能儲(chǔ)能應(yīng)用RFEs的可行范例，并可能引起研究人員對(duì)其它領(lǐng)域材料設(shè)計(jì)的普遍興趣。
該研究成果以“一種近零能量損耗的無(wú)鉛高溫陶瓷電容器”(A High-Temperature Performing and Near-Zero Energy Loss Lead-Free Ceramic Capacitor)為題，在國(guó)際知名期刊《能源環(huán)境科學(xué)》《Energy & Environmental Science》(IF=32.5)在線發(fā)表。該工作以西安交通大學(xué)為唯一通訊單位，電信學(xué)部電子學(xué)院博士生李達(dá)為第一作者，電子學(xué)院周迪教授、電子學(xué)院徐諦明助理教授和前沿院王棟教授為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省國(guó)際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，西安交通大學(xué)國(guó)際介電研究中心提供了大量測(cè)試表征支持。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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