世界(jie)經濟的(de)(de)快速(su)發(fa)(fa)展(zhan)總(zong)是伴隨著人(ren)類(lei)社會對能(neng)(neng)源需求的(de)(de)不斷增加,因(yin)此高(gao)效儲(chu)能(neng)(neng)技術受(shou)到學(xue)術界(jie)和(he)商業界(jie)廣泛(fan)關注。儲(chu)能(neng)(neng)陶瓷(ci)電(dian)(dian)容(rong)器作為脈沖(chong)電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子應用(yong)的(de)(de)核心部件,其(qi)發(fa)(fa)展(zhan)具(ju)有(you)重要意義。與(yu)目前可用(yong)的(de)(de)其(qi)它電(dian)(dian)能(neng)(neng)存儲(chu)設(she)備(電(dian)(dian)池、燃(ran)料(liao)電(dian)(dian)池和(he)超級電(dian)(dian)容(rong)器)相比(bi),其(qi)優點包括(kuo)快速(su)充電(dian)(dian)/放電(dian)(dian)的(de)(de)能(neng)(neng)力,更高(gao)的(de)(de)功率密度(du)和(he)更長的(de)(de)壽命等,這對于先進(jin)電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子設(she)備向小型化和(he)集成(cheng)化的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)具(ju)有(you)決(jue)定(ding)性意義。然而,能(neng)(neng)量(liang)密度(du)小和(he)/或能(neng)(neng)量(liang)效率低以及溫度(du)不穩定(ding)性是促(cu)進(jin)介(jie)電(dian)(dian)陶瓷(ci)電(dian)(dian)容(rong)器實際應用(yong)的(de)(de)主(zhu)要阻礙。

圖1.BMT15-RRP陶瓷中多態PNRs共(gong)存的異質(zhi)結構
根據介質電(dian)(dian)容(rong)儲能(neng)的(de)(de)(de)(de)公式(shi)和基本(ben)原理,高(gao)性能(neng)電(dian)(dian)容(rong)器應具有高(gao)擊穿Eb、大的(de)(de)(de)(de)最大極化(hua)(hua)強(qiang)度(du)(Pmax)與剩余極化(hua)(hua)強(qiang)度(du)(Pr)差值(Pmax-Pr)、極化(hua)(hua)飽和緩慢和溫度(du)不(bu)敏感等(deng)特點(dian)。弛(chi)(chi)豫(yu)鐵電(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)RFEs被(bei)認為(wei)是(shi)極具優(you)化(hua)(hua)潛力(li)的(de)(de)(de)(de)候選材(cai)(cai)料(liao),因其(qi)納米疇(chou)(chou)(chou)發生(sheng)極化(hua)(hua)轉換(huan)所需的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)勢(shi)壘(lei)低,而鐵電(dian)(dian)體FEs的(de)(de)(de)(de)微米級(ji)疇(chou)(chou)(chou)具有強(qiang)互(hu)耦作(zuo)用。目前公認的(de)(de)(de)(de)增強(qiang)弛(chi)(chi)豫(yu)行為(wei)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法是(shi)通(tong)(tong)過在(zai)(zai)FEs中引(yin)入順電(dian)(dian)或線性端元以誘導無序結構(gou)(gou)或納米疇(chou)(chou)(chou),比如(ru)BT-BaZrO3和BF-SrTiO3等(deng)。類似(si)地,通(tong)(tong)過將順電(dian)(dian)組元SrTiO3(ST)或Sr2+引(yin)入到室溫下呈(cheng)R相的(de)(de)(de)(de)BNT陶瓷的(de)(de)(de)(de)A位點(dian),可以在(zai)(zai)BNT-ST弛(chi)(chi)豫(yu)體系中實現菱方(fang)(R3c,R)和四方(fang)(P4bm,T)相納米疇(chou)(chou)(chou)的(de)(de)(de)(de)共存結構(gou)(gou)。值得(de)注(zhu)意(yi)的(de)(de)(de)(de)是(shi),在(zai)(zai)這種多態(tai)納米疇(chou)(chou)(chou)結構(gou)(gou)中,極化(hua)(hua)各向異性和能(neng)量(liang)勢(shi)壘(lei)明顯受(shou)損(sun),導致(zhi)極化(hua)(hua)在(zai)(zai)電(dian)(dian)場下的(de)(de)(de)(de)轉換(huan)比單相納米疇(chou)(chou)(chou)更加平順。然而,一(yi)些初(chu)步工(gong)作(zuo)發現,過量(liang)引(yin)入Sr2+會導致(zhi)較大的(de)(de)(de)(de)Pmax損(sun)失而限制儲能(neng)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)優(you)化(hua)(hua)。因此,協調多態(tai)納米疇(chou)(chou)(chou)的(de)(de)(de)(de)比例以增大Pmax-Pr值和優(you)化(hua)(hua)制備(bei)工(gong)藝以提高(gao)擊穿場強(qiang)為(wei)此項工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)研究重點(dian)。

圖2.BMT15-RRP陶(tao)瓷在(zai)不同測試條件下(電場(chang)、溫度(du)、頻率和循環次(ci)數(shu))的儲(chu)能特性(xing)
針對這一(yi)問題,西安交通(tong)大學(xue)(xue)電(dian)信學(xue)(xue)部電(dian)子科學(xue)(xue)與工程(cheng)學(xue)(xue)院周迪教授團隊通(tong)過在(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3(BNST)弛豫鐵(tie)電(dian)陶瓷中引(yin)入Bi(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)端(duan)元,設計(ji)出一(yi)種(zhong)R相(xiang)和(he)T相(xiang)極(ji)性納(na)米微區(PNRs)嵌(qian)入C相(xiang)順(shun)電(dian)基體(ti)的(de)(de)(de)(de)異質結(jie)構,如(ru)圖一(yi)所示。通(tong)過組(zu)分調制(zhi)優化(hua)R相(xiang)和(he)T相(xiang)納(na)米疇(chou)的(de)(de)(de)(de)比例,實(shi)現疇(chou)的(de)(de)(de)(de)最平順(shun)切換路徑(jing),在保(bao)持(chi)最大極(ji)化(hua)的(de)(de)(de)(de)同時最小(xiao)化(hua)極(ji)化(hua)滯后。結(jie)果表明,隨著弛豫體(ti)系(xi)化(hua)學(xue)(xue)復(fu)雜度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia),極(ji)化(hua)無序程(cheng)度(du)加(jia)劇,誘(you)導(dao)的(de)(de)(de)(de)多態PNRs極(ji)大地優化(hua)儲能(neng)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)同時也可以實(shi)現優越的(de)(de)(de)(de)溫度(du)不敏感性。此(ci)外,由于(yu)組(zu)織結(jie)構均勻致密,平均晶粒尺寸呈指數(shu)級降低(di),反復(fu)軋膜工藝(RRP)增(zeng)強了擊穿場強Eb這一(yi)關鍵參數(shu),使得(de)該體(ti)系(xi)同時保(bao)持(chi)了與鉛基陶瓷相(xiang)當(dang)的(de)(de)(de)(de)超高(gao)Wrec值10.28 J·cm-3和(he)η值(97.11%),優于(yu)目前報(bao)道的(de)(de)(de)(de)其它(ta)(ta)無鉛體(ti)系(xi),特別是(shi)(shi)其能(neng)量損耗極(ji)低(di)。此(ci)外,該陶瓷在寬溫范(fan)圍(25-200 ℃)內具有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)性能(neng)和(he)穩定性(Wrec~6.35±9% J·cm-3,η~94.8%±3%),如(ru)圖二所示。這些結(jie)果表明,這種(zhong)多組(zu)元設計(ji)可以被認為是(shi)(shi)開發下一(yi)代高(gao)性能(neng)儲能(neng)應用RFEs的(de)(de)(de)(de)可行范(fan)例,并(bing)可能(neng)引(yin)起研(yan)究人員對其它(ta)(ta)領(ling)域(yu)材料設計(ji)的(de)(de)(de)(de)普遍興趣。
該研究(jiu)成果(guo)以“一種近(jin)零能量損耗的(de)無鉛高溫陶瓷電(dian)(dian)容器(qi)”(A High-Temperature Performing and Near-Zero Energy Loss Lead-Free Ceramic Capacitor)為題,在國際知名期刊《能源環境科學(xue)》《Energy & Environmental Science》(IF=32.5)在線發表。該工作(zuo)以西安(an)交(jiao)通大(da)學(xue)為唯(wei)一通訊單位,電(dian)(dian)信學(xue)部電(dian)(dian)子學(xue)院(yuan)(yuan)博士生(sheng)李達為第一作(zuo)者,電(dian)(dian)子學(xue)院(yuan)(yuan)周(zhou)迪教授、電(dian)(dian)子學(xue)院(yuan)(yuan)徐諦明助理教授和前沿院(yuan)(yuan)王棟教授為共同通訊作(zuo)者。該工作(zuo)得到國家自然(ran)科學(xue)基金(jin)、陜西省國際合作(zuo)項(xiang)目(mu)等項(xiang)目(mu)的(de)資助,西安(an)交(jiao)通大(da)學(xue)國際介(jie)電(dian)(dian)研究(jiu)中心提供了大(da)量測試表征支(zhi)持(chi)。
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