Adv. Mater.：通過表面工程得到具有超高儲能性的無鉛多層氧化物電容器

【引言】

作為電容器的介電材料在過去幾十年間得到了廣泛的探索，由于其具有控制電荷、儲存電能的性質，又可以應用于高級電學器件和發電系統中，因此，必將得到更加深入的研究。在眾多的介電材料電容器中，薄膜電容器對于介電能量的存儲性能正吸引著越來越多的關注，原因就在于其極高的充/放電速度，這使得其在介電儲能材料和供能器件中擁有最高的能量密度。對于儲能材料來說，儲能密度、儲能效率和熱穩定性是衡量器件性能最重要的三個指標。近期的研究很多都關注器件在室溫下的性能，而忽略了其在較大溫度區間范圍內的運行狀況。優秀的熱穩定性是電學器件微小化和集成化后在極端條件下工作的必要條件。電容器材料的研究以往總是關注鉛基材料，不可否認，鉛基材料電容器表現出了良好的儲能性和熱穩定性。然而，鉛基材料對于人類以及環境的危害限制了其進一步的應用。因此，研究一種無鉛、熱穩定性好、儲能性質優秀的材料成為了新的挑戰。

【成果簡介】

最近，來自西安交通大學的汪宏教授和劉明副教授（共同通訊作者）報道了一種通過控制界面狀態得到的無鉛薄膜電容器，表現出了極高的儲能性質。該成果以“Ultrahigh Energy Storage Performance of Lead-Free Oxide Multilayer Film Capacitors via Interface Engineering”為題發表在了2016年11月29日的Advanced Materials上。

作為一種人工合成材料，由于鐵電/介電的多層薄膜或者超晶格結構中獨特的氧八面體和相鄰層間的界面結構，其表現出了遠高于單層薄膜的優秀性能。在這一思路指導下，實驗中制備了Ba_0.7Ca_0.3TiO₃-BaZr_0.2Ti_0.8O₃ (BCT-BZT)的多層薄膜結構，在經過仔細調節多層薄膜間的界面后，其在室溫以及較高溫度下都表現出了極高的儲能性質。在140℃時，其能量密度和充/放電效率相較無鉛陶瓷和鉛基電陶瓷都是最高的。此外，基于有限元方法得到的數值模擬結果表明，界面間的有效調控阻礙了電樹的生長和擴大，因此增強了器件的擊穿強度。

【圖文導讀】

圖1 各樣品不同方向的倒易空間圖及其掃描透射電子顯微鏡（STEM）、選區電子衍射（SAED）圖

a-c.2/4/8層BCT/BZT薄膜的（001）反射面倒易空間圖

d-f.2/4/8層BCT/BZT薄膜的（103）反射面倒易空間圖

g-i.2/4/8層BCT/BZT薄膜橫截面的STEM圖

j-l.2/4/8層BCT/BZT薄膜的SAED圖

圖2 不同BCT/BZT薄膜的介電常數/介電損失-頻率圖

a.不同層數BCT/BZT薄膜的介電常數-頻率圖

b.不同層數BCT/BZT薄膜的介電損失-頻率圖

c.BCT和BZT單層薄膜的介電常數-頻率圖

d.BCT和BZT單層薄膜的介電損失-頻率圖

圖3 BCT/BZT薄膜的擊穿強度及其電樹的變化

a.介電擊穿強度的威布爾分布

b.不同層數（2/4/8層）BCT/BZT薄膜的實驗和計算擊穿強度

c-e.電場強度為4 MV cm?1時不同層數（2/4/8層）BCT/BZT薄膜電樹的變化

圖4 不同樣品電學性能的測量

a.BCT/BZT薄膜的能量密度和儲電效率隨電場強度變化圖

b.BCT/BZT薄膜的可恢復儲能密度和效率隨溫度變化圖

c.在140℃時4層BCT/BZT薄膜的泄露電流密度-電場強度圖

d.在140℃時4層BCT/BZT薄膜與多種典型材料儲能性的比較圖

【小結】

通過表面工程的有效調控，無鉛的BCT/BZT薄膜表現出了極高的能量密度和效率，這表明表面工程對于電容器的儲能特性的調控是極其有效的，也為其他體系的薄膜電容器性能的提高提供了思路。此外，發展無鉛電容器符合可持續以及環境友好的發展理念，將來必將取代鉛基電容器成為主流。

文獻鏈接：Ultrahigh Energy Storage Performance of Lead-Free Oxide Multilayer Film Capacitors via Interface Engineering（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604427）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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