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(qiáng)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(tǒng)中具有重要應(yīng)用。介質(zhì)陶瓷的有效介電常數(shù)（ΔP/ΔE）和耐電強(qiáng)度（BDS）本征上相互制約，當(dāng)前研究主要是通過(guò)降低有效介電常數(shù)，提高耐電強(qiáng)度或提升有效介電常數(shù)來(lái)補(bǔ)救儲(chǔ)能密度的降低，制約了高功率脈沖儲(chǔ)能器件向輕量化、小型化的發(fā)展。如何獲得寬溫范圍內(nèi)高而穩(wěn)定的儲(chǔ)能密度是高功率儲(chǔ)能器件應(yīng)用亟需解決的問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所鐵電陶瓷材料與器件研究團(tuán)隊(duì)提出一種新的陶瓷設(shè)計(jì)策略，緩解BDS與ΔP/ΔE的相互制約，在不影響儲(chǔ)能效率的前提下實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能密度提高。以鈦酸鍶鋇（BST）為基，在A位引入Bi3+增強(qiáng)極化率，提高有效介電常數(shù)；同時(shí)采用兩步合成粉體方法，調(diào)控離子擴(kuò)散，構(gòu)筑“核殼”結(jié)構(gòu)晶粒，有效延長(zhǎng)擊穿路徑，陶瓷耐電強(qiáng)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(chǔ)能性能：儲(chǔ)能密度5.92 J/cm3，儲(chǔ)能效率81%。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。
此外，介質(zhì)陶瓷的儲(chǔ)能效率和外場(chǎng)下儲(chǔ)能性能穩(wěn)定性在工程應(yīng)用中十分重要。科研人員通過(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(qū)尺寸、活性、數(shù)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(qiáng)度，改善了BST陶瓷的介電非線性和極化滯后，極化損耗顯著降低，儲(chǔ)能效率和介電性能溫度穩(wěn)定性大幅提升。研究獲得了兼具高儲(chǔ)能密度（Wrec =5.47 J/cm3）和儲(chǔ)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(xiàn)優(yōu)異的儲(chǔ)能溫度穩(wěn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)工程物理研究院、中科院重點(diǎn)部署和國(guó)際合作項(xiàng)目的資助。
通過(guò)核殼結(jié)構(gòu)工程和組分設(shè)計(jì)突破有效介電常數(shù)與耐電強(qiáng)度間的矛盾，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲(chǔ)能性能隨電場(chǎng)的變化曲線，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜陶瓷的（a）P-E回線（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲(chǔ)能性能隨電場(chǎng)的變化曲線，（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(shù)（3e,3f）下P-E曲線、儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。
摘自中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)
此外，介質(zhì)陶瓷的儲(chǔ)能效率和外場(chǎng)下儲(chǔ)能性能穩(wěn)定性在工程應(yīng)用中十分重要。科研人員通過(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(qū)尺寸、活性、數(shù)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(qiáng)度，改善了BST陶瓷的介電非線性和極化滯后，極化損耗顯著降低，儲(chǔ)能效率和介電性能溫度穩(wěn)定性大幅提升。研究獲得了兼具高儲(chǔ)能密度（Wrec =5.47 J/cm3）和儲(chǔ)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(xiàn)優(yōu)異的儲(chǔ)能溫度穩(wěn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)工程物理研究院、中科院重點(diǎn)部署和國(guó)際合作項(xiàng)目的資助。
通過(guò)核殼結(jié)構(gòu)工程和組分設(shè)計(jì)突破有效介電常數(shù)與耐電強(qiáng)度間的矛盾，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲(chǔ)能性能隨電場(chǎng)的變化曲線，（c）TEM暗場(chǎng)像，（d）介電溫譜陶瓷的（a）P-E回線（最高耐受電場(chǎng)下），（b）儲(chǔ)能性能隨電場(chǎng)的變化曲線，（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(shù)（3e,3f）下P-E曲線、儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。
摘自中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)
