高儲能密度和高可靠性電介質儲能材料在各種電力, 電子系統中扮演著越來越重要的角色, 特別是在高能脈衝功率技術領域有著不可替代的應用. 相關器件及產品正朝小型化, 輕型化及多功能方向發展, 對器件的儲能密度提出了更高的要求, 而提高器件儲能特性的關鍵在於開發出具有高儲能密度的電介質材料. 應用反鐵電 (AFE) 陶瓷材料, 諸如鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O 3)體系, 鈮酸銀 (AgNbO 3) 等, 利用電場誘導的反鐵電-鐵電相變被認為是提高電介質材料能量密度的有效方法. 然而, 與反鐵電-鐵電相變相關的高能量損耗 (效率低) 和較差的可靠性是限制反鐵電陶瓷應用的主要問題.
近日, 西安交通大學電信學院徐卓教授課題組李飛副教授指導學生, 在(Na 0.5Bi 0.5)TiO 3-(Sr 0.7Bi 0.2)TiO 3 (NBT-SBT) 體系無鉛電介質陶瓷中同時獲得了高儲能密度和儲能效率. 其主要原理是利用A位異價陽離子來破壞反鐵電材料偶極子的長程有序, 實現反鐵電材料在納米尺度上的結構不均勻, 降低極化強度相對於電場的滯後, 從而提高材料的儲能效率. 基於NBT-SBT體系, 課題組利用流延工藝製備了多層陶瓷電容器 (MLCC) , 其儲能密度和效率分別達到9.5Jcm -3和92% . 同時, 該電容器在-60~120℃ 範圍內表現出良好的穩定性, 儲能密度變化率小於10%, 並且在充放電100萬次後器件儲能密度僅下降8%. 這些特性表明NBT-SBT多層陶瓷電容器有望在高能量儲能領域得到應用.
左: NBT-SBT多層陶瓷電容器截面SEM照片 中, 右: NBT-SBT多層陶瓷電容器儲能特性實驗測試結果, 疲勞實驗結果
該研究成果近日在材料科學領域著名期刊 Advanced Materials (IF=21.95) 上線上發表. 西安交通大學電信學院電子陶瓷與器件教育部重點實驗室博士生李景雷為本文的第一作者, 李飛副教授與澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授為本文的共同通訊作者, 西安交通大學是本文的第一作者單位. 這是近年在徐卓教授課題組繼 Nature Materials, Nature Communications, Advanced Functional Materials 之後發表的又一篇高水平文章, 標誌著西安交通大學在電介質儲能研究處於國際領先水平.
該工作得到國家自然科學基金, '111引智計劃' (B14040) 等項目的支援.
