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我区介电储能材料研究取得新进展
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发布时间:2021-01-13 14:40:05.69     文章来源:科技信息研究院/基础研究处    作者:胡红波 王鑫     浏览次数:



    近日,内蒙古科技大学郝喜红教授课题组在国际高水平期刊《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal)上发表了题目为“通过多元化增强策略在(Pb0.98-xLa0.02Cax)(Zr0.7Sn0.3)0.995O3反铁电多层陶瓷电容器中获得超高能量密度”(Ultra-high energy density induced by diversified enhancement effects in (Pb0.98-xLa0.02Cax)(Zr0.7Sn0.3)0.995O3 antiferroelectric multilayer ceramic capacitors)的最新科研成果。该研究对介电储能材料的设计具有普遍意义和实践价值。
    此项研究得到治区科技创新引导项目(KCBJ2018034),自治区自然科学基金重大项目(2019ZD12)和内蒙古“草原英才”创新团队支持计划支持。
    近年来,随着电子设备和电力系统等高新技术的进步,陶瓷电容器得到了飞速发展。介质材料直接决定电容器的性能和成本,也决定着企业的竞争能力和发展空间。因此,对高能量密度、快速冲放电和低成本储能介质材料的研究意义重大。多层陶瓷电容器(MLCC)由多个厚度均匀的电介质层与内部金属电极平行排列组成,由于其快速的充/放电能力、高功率密度以及卓越的机械和热性能,被认为是最有前途的电子产品之一。但是,低的能量密度限制了MLCC在实际中的应用。因此,探索高储能特性的多层陶瓷电容器已成为材料领域的一大热点课题。
在    介电储能领域,研究较多的介电材料主要有线性材料、铁电材料、弛豫铁电材料和反铁电材料。反铁电材料由于内部偶极子反向平行排列,具有独特的相变行为和几乎为零的剩余极化,使得反铁电体具有更优的能量存储表现,在介电电容器方面的应用具有更大的潜力,更适用于制作脉冲功率系统中的储能元器件。锆酸铅基反铁电体作为典型的反铁电材料,由于其卓越的储能性能得到了广泛的研究。依据储能原理和反铁电材料电滞回线特点可知,为得到更高的能量密度,急需解决其相变电场和耐击穿电场较低等问题。
    科研团队通过离子掺杂和多层构造的策略来调节(Pb0.98-xLa0.02Cax)(Zr0.7Sn0.3)0.995O3反铁电陶瓷材料的化学键结构、晶体结构和微观结构。首先,Ca²﹢离子的掺杂可以细化晶粒和增强阳离子和氧的结合,从而增强击穿强度和相转变电场。其次,通过多层结构减少因电介质层厚度引起的缺陷来进一步提高击穿电场。最终,采用多元化增强策略成功制备出了超高的储能密度(14.3 J/cm³),高的储能效率(86.1%),高的放电能量密度(10.7 J/cm³)和高功率密度(400 MW/cm³)的铅基反铁电多层陶瓷电容器。这项工作强调了基于结构设计来提高反铁电材料能量密度,这种新颖的策略可以为储能材料的设计提供指导。

    论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128032

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