濟南大學Nano Energy:?高儲能特性的多層柔性介電薄膜電容器

引言：

如今，隨著人工智能和物聯網技術的興起，柔性、輕質、可穿戴以及智能化成為了電子器件發展的主流方向。介電儲能電容器因具備高功率密度和快速充放電特性在脈沖功率設備中有著不可替代的地位。近年來，研究者借助二維云母柔性載體平臺，使無機儲能電容器的柔性化成為可能。然而，傳統的線性介電材料，正常鐵電體和弛豫鐵電體在儲能密度和儲能效率之間往往存在嚴重的相互制約性，難以兩全，成為阻礙介電儲能材料發展的瓶頸。因此，如何采取有效的措施，打破儲能密度和效率之間難以協調的矛盾，兼顧兩者的平衡，是目前發展高儲能性能介電材料的首要任務。

成果簡介：

近日，濟南大學聯合澳大利亞伍倫貢大學巧妙設計了一種以鐵電體和弛豫鐵電體為組成單元的多層結構電容器，選用MPB組成的 (Na_0.8K_0.2)_0.5Bi_0.5TiO₃?(NKBT)提供大的極化強度，選用相似組分的 0.6(Na_0.8K_0.2)_0.5Bi_0.5TiO₃-0.4SrTiO₃?(NKBT-ST)提供弛豫特性和高擊穿場強；通過調控多層膜的循環周期數來改變界面狀態，進一步提升多層膜的抗擊穿能力。這一設計可以在確保高擊穿場強的基礎上，使薄膜兼顧大極化強度和強弛豫特性，為同時獲得高儲能密度和效率創造了條件。在循環周期數N=6時獲得了綜合性能優異的薄膜電容器，其室溫儲能密度高達73.7J/cm³、儲能效率達68.1%；且具有優異的溫度穩定性(-50°C~200°C)以及抗彎折能力（彎曲半徑低至2mm、重復彎曲10⁴次）。該薄膜電容器在下一代柔性電子和儲能設備中具有巨大的應用潛力。相關成果以“Energy storage performance of flexible NKBT/NKBT-ST?multilayer film capacitor by interface engineering”為題發表在國際著名期刊Nano Energy上。濟南大學碩士研究生錢進和韓亞潔為論文的共同第一作者，濟南大學楊長紅教授，黃世峰教授及澳大利亞伍倫貢大學Cheng Zhenxiang教授為共同通訊作者。

圖文導讀

圖1

各種介電材料儲能特性對比示意圖?(a) 線性電介質，正常鐵電體和弛豫鐵電體的P-E曲線；(b) 多層弛豫鐵電體所設想P-E曲線。

圖2

(a) 柔性NKBT/NKBT-ST介電電容器的數碼圖像；(b)在平整和彎曲狀態下多層結構原子堆疊示意圖；(c) NKBT/NKBT-ST(N=6)多層膜的FESEM斷面結構圖；(d) NKBT/NKBT-ST(N=6)多層膜的AFM表面形貌圖；(e)?NKBT/NKBT-ST(N=6)多層膜的XRD圖譜。

圖3

(a) 不同樣品的介電頻譜圖；(b) 不同樣品的介電擊穿強度的威布爾分布；(c)不同樣品在相同電場下(2308kV/cm)的P-E曲線；(d) 不同樣品在其最高電場下的P-E曲線；(e) 不同樣品的儲能密度W_rec和效率η對比柱狀圖；(f) 近期報道的薄膜材料W_rec和η值的對比圖。

圖4

(a) N=6多層膜的介電溫譜；(b) 修正的居里-外斯方程擬合曲線；(c)純NKBT和(d) N=6多層膜極化后經過不同的弛豫時間的PFM相位圖。

圖5

(a) 不同溫度下N=6多層膜的P-E曲線；(b) 不同溫度下N=6多層膜的W_rec和η值；(c) 幾種典型薄膜電容器W_rec隨溫度變化的對比圖。

圖6

N=6多層膜電容器在(a) 壓縮和(b) 拉伸狀態不同彎曲半徑下的P-E曲線，插圖為相應狀態下的測試示意圖；(c)?W_rec和η值隨彎曲半徑的變化曲線；(d) 壓縮和(e) 拉伸狀態不同彎曲半徑下放電能量密度隨時間的變化曲線；(f) 放電時間和能量密度隨彎曲半徑的變化曲線。

圖7

N=6多層膜電容器在(a) 壓縮和(b) 拉伸狀態下經過10⁸次疲勞前后W_rec和η值，插圖為相應的P-E曲線，其中彎曲半徑為4?mm；(c) 壓縮和(d) 拉伸狀態下進行10⁴次重復彎曲前后的W_rec和η值，插圖為相應的P-E曲線，其中彎曲半徑為4?mm。

小結：

該工作以Na_0.5Bi_0.5TiO₃體系為代表，選用Na_0.5Bi_0.5TiO₃基MPB組成的鐵電組分和弛豫鐵電組分，將前者超高的極化強度、后者強弛豫性和強抗擊穿能力相結合，設計多層膜結構，成功解決了儲能密度和效率之間看似不可調和的矛盾。該項研究結果為其他體系如BiFeO₃薄膜介電電容器性能的提升也提供了新思路。

文章鏈接:

Energy storage performance of flexible NKBT/NKBT-ST multilayer film capacitor by interface engineering?(Nano Energy, 2020, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104862)

團隊在該領域近期工作匯總

團隊成員在高性能柔性全無機儲能薄膜材料研制方面取得了一系列成果。率先利用二維云母作為柔性載體平臺，通過簡單的“一步法”制備了Mn:NBT-BT-BFO柔性介電儲能薄膜電容器，具有高儲能密度(81.9J/cm³)、大儲能效率(64.4%)及優異的耐彎折性，該方法對無機儲能薄膜的柔性化具有很好的普適性【Adv. Energy Mater.?2019, 9, 1803949】。基于該制備方法，通過在NBT-BT中引入順電相ST產生極性納米微區增強弛豫性，并將退極化溫度降至室溫附近，不僅實現了高儲能性能而且獲得了優異的寬溫穩定性(-100°C~200°C)【J. Mater. Chem.?A?2019, 7, 22366】。為進一步增強柔性NBT基薄膜的抗擊穿能力，構建了多層膜結構，一方面將具有高擊穿場強的介電BSMT與鐵電NKBT相結合，實現了迄今為止柔性無機儲能薄膜中最高的儲能密度(W_rec=91J/cm³)【Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1904229】；另一方面將鐵電NKBT與弛豫鐵電NKBT-ST相結合，兼顧了儲能密度和效率兩參數之間的平衡【Nano Energy?2020, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104862】。此外，在柔性BFO基薄膜介電儲能方面也開展了相關的研究工作，在BFO中通過引入弛豫鐵電SBT增強其弛豫特性，獲得了高儲能特性的BFO基柔性介電薄膜材料【J. Materiomics 2020, 6, 200】。

相關優質文獻推薦：

Nano Energy?2020, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104862

Materiomics 2020, 6, 200

Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1904229

Mater. Chem.A2019, 7, 22366??

Adv. Energy Mater.?2019, 9, 1803949