合工大AEM: 同時獲得超高能量密度和效率的無鉛鐵電陶瓷電容器

【背景介紹】

固態介質電容器因其高功率密度和超快充放電速率而受到高度關注。然而，其儲能密度往往較小，且易受儲能效率以及熱穩定性的制約。低儲能效率意味著更多的電能被轉化為熱能，從而容易引起電容器在服役中失效。因此，設計和開發同時具有高儲能密度、高效率和性能穩定的儲能介質材料就至關重要。弛豫鐵電體和反鐵電體陶瓷因能同時獲得高飽和極化強度和近零剩余極化強度而具有實現優異儲能性能的潛力。盡管反鐵電陶瓷電容器的能量密度值近年來不斷有新突破，但是其相應的儲能效率仍不理想。相對于反鐵電陶瓷而言，弛豫鐵電體容易獲得高的儲能效率，然而相對較高的介電常數往往伴隨其較低的介電擊穿強度。因此，目前文獻報道的弛豫鐵電陶瓷的儲能密度值普遍較低。

【成果簡介】

近日，合肥工業大學左如忠教授科研團隊利用納米疇工程成功制備出具有高介電擊穿強度、高極化強差（ΔP）的BiFeO₃基無鉛弛豫鐵電固溶體陶瓷材料，同時獲得了超高放電儲能密度、高效率、優異的溫度穩定性以及超快放電速率，突破了高性能介質陶瓷電容器中儲能密度和效率相互制約的瓶頸。相關成果以題為“Superior Energy-Storage Capacitors with Simultaneously Giant Energy Density and Efficiency Using Nanodomain Engineered BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃?Lead-Free Bulk Ferroelectrics”發表在國際頂級學術期刊Adv. Energy?Mater.上（影響因子24.884），這一研究成果為設計下一代高性能脈沖功率儲能電容器提供新的技術思路和理論指導。該論文第一作者為祁核博士。

【圖文導讀】

圖1 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫鐵電陶瓷的PFM表征和和儲能性能比較

圖2 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫鐵電陶瓷的儲能特性

圖3 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫鐵電陶瓷的高分辨TEM

【小結】

近年來，左如忠教授課題組一直圍繞無鉛鐵電、反鐵電材料的多尺度結構設計以及電學性能調控等方面，特別是針對領域內人們廣泛關注的若干關鍵性基礎問題和技術難題，如儲能密度較低、儲能密度和效率難以兼顧、儲能性能的熱穩定性差、擊穿場強不足，以及儲能介質材料在電場下結構演變規律等，開展了一系列系統性的研究工作。在國際上率先使用具有高自發極化強度的BiFeO₃材料作為基體，制備出一系列高性能無鉛儲能陶瓷電容器（J.?Am. Ceram. Soc., 2015, 98, 2692-2695; J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37, 413-418;?J. Eur. Ceram. Soc., 2019, 39, 2673-2679），創新性地結合了介電弛豫特性和反鐵電材料的技術優勢，設計出具有納米疇結構的弛豫反鐵電陶瓷材料，實現了陶瓷體材料儲能密度的重要突破，并結合透射電子顯微鏡和原位同步輻射技術揭示了弛豫反鐵電體具有優異儲能性能的結構機理（Adv. Funct. Mater., 2019, 1903877; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978）。

該課題組近期在前期大量工作的基礎上開展了針對性的研究，成功設計和合成了BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃三元系無鉛鈣鈦礦鐵電固溶體。一方面因禁帶寬度的增大、晶粒細化以及電阻率的提高，體系的介電擊穿強度顯著提高；另一方面，伴隨組成介電弛豫程度的明顯增強，電疇結構逐漸由宏疇演變為納米電疇。利用壓電力顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡觀測到局域結構不均勻的納米微區結構，形成了對電場幾乎無滯后的極化響應和對溫度不敏感的高介電響應，為同時獲得高儲能密度、高儲能效率和優異的溫度穩定性提供了堅實的結構基礎，并最終制備出性能優異的儲能電容器，具有超高的放電儲能密度~8.12 J/cm³、高儲能效率~90%、優異的溫度穩定性（(±10%, -50~250 ^oC）以及超快放電速率（t_0.9<100 ns）。

該工作利用弛豫鐵電體的高儲能效率和優異溫度穩定性的優勢，以及鐵酸鉍材料的超高自發極化強度，并通過高禁帶寬度的鈮酸鈉對局域納米疇結構不均勻性、介電弛豫特性、微觀形貌和電阻率等進行調控。研究者相信，這一組成設計理念和研究成果將為設計下一代高性能脈沖功率儲能電容器提供新的技術思路和理論指導。

論文鏈接：

http://ceramics.hfut.edu.cn/2018/1221/c5063a203536/page.htm

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903338

本文由合肥工業大學左如忠教授科研團隊供稿。

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