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      English  |  上海硅酸鹽所  |  中國科學院  
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    上海硅酸鹽所鈦酸鋇基鐵電陶瓷研究取得新進展
    發布時間:2022-06-10

      鈦酸鋇基鐵電陶瓷具有高功率密度、高耐電強度和充放電速度快等優點,在電力電子和脈沖功率系統中具有重要應用。介質陶瓷的有效介電常數(ΔP/ΔE)和耐電強度(BDS)本征上相互制約,當前研究主要是通過降低有效介電常數,提高耐電強度或提升有效介電常數來補救儲能密度的降低,制約了高功率脈沖儲能器件向輕量化、小型化的發展。如何獲得寬溫范圍內高而穩定的儲能密度是高功率儲能器件應用必須解決的問題。 

      中國科學院上海硅酸鹽研究所鐵電陶瓷材料與器件研究團隊提出一種新的陶瓷設計策略,緩解BDSΔP/ΔE的相互制約,在不影響儲能效率的前提下實現了儲能密度提高。以鈦酸鍶鋇(BST)為基,在A位引入Bi3+增強極化率,提高有效介電常數;同時采用兩步合成粉體方法,調控離子擴散,構筑“核殼”結構晶粒,有效延長擊穿路徑,陶瓷耐電強度從460 kV/cm提高到550 kV/cm。ΔP/ΔEBDS的協同提升提高了介質陶瓷的儲能性能:儲能密度5.92 J/cm3,儲能效率81%,相關結果發表在Chemical Engineering Journal (2022)上。 

      同時,介質陶瓷的儲能效率和外場下儲能性能穩定性在工程應用中至關重要。通過在B位引入Hf離子取代Ti離子,降低了鐵電陶瓷極性納米微區尺寸、活性、數量和相互偶極作用力,抑制了載流子躍遷,提高了材料的禁帶寬度、電阻率和擊穿強度,改善了BST陶瓷的介電非線性和極化滯后,極化損耗顯著降低,儲能效率和介電性能溫度穩定性大幅提升。獲得了兼具高儲能密度(Wrec =5.47 J/cm3)和儲能效率(η = 90.6% )無鉛鐵電陶瓷,該陶瓷在寬溫范圍 (-95-125 ℃)展現優異的儲能溫度穩定特性。研究成果發表在Journal of Materials Chemistry C2022)上。 

      該研究工作得到了國家自然科學基金項目、中國工程物理研究院、中國科學院重點部署和國際合作項目資助。兩篇文章的第一作者分別是上海硅酸鹽所在讀博士生黃偉和楊帆,通訊作者為陳瑩高級工程師、董顯林研究員、王根水研究員。 

      文章鏈接:  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135523,https://doi.org/10.1039/D2TC00619G 

     

    通過核殼結構工程和組分設計突破有效介電常數與耐電強度間的矛盾,實現儲能性能大幅度提升

    0.93Ba0.55Sr0.39Zn0.06TiO3-0.07BiMg2/3Nb1/3O3陶瓷的(aP-E回線(最高耐受電場下),(b)儲能性能隨電場的變化曲線,(cTEM暗場像,(d)介電溫譜。

    BSBNTH陶瓷不同溫度(3a,3b)、不同頻率(3c,3d)、不同外場循環次數(3e,3f)P-E曲線、儲能密度和儲能效率。

     
     
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