合工大AEM: 同时获得超高能量密度和效率的无铅铁电陶瓷电容器

【背景介绍】

固态介质电容器因其高功率密度和超快充放电速率而受到高度关注。然而，其储能密度往往较小，且易受储能效率以及热稳定性的制约。低储能效率意味着更多的电能被转化为热能，从而容易引起电容器在服役中失效。因此，设计和开发同时具有高储能密度、高效率和性能稳定的储能介质材料就至关重要。弛豫铁电体和反铁电体陶瓷因能同时获得高饱和极化强度和近零剩余极化强度而具有实现优异储能性能的潜力。尽管反铁电陶瓷电容器的能量密度值近年来不断有新突破，但是其相应的储能效率仍不理想。相对于反铁电陶瓷而言，弛豫铁电体容易获得高的储能效率，然而相对较高的介电常数往往伴随其较低的介电击穿强度。因此，目前文献报道的弛豫铁电陶瓷的储能密度值普遍较低。

【成果简介】

近日，合肥工业大学左如忠教授科研团队利用纳米畴工程成功制备出具有高介电击穿强度、高极化强差（ΔP）的BiFeO₃基无铅弛豫铁电固溶体陶瓷材料，同时获得了超高放电储能密度、高效率、优异的温度稳定性以及超快放电速率，突破了高性能介质陶瓷电容器中储能密度和效率相互制约的瓶颈。相关成果以题为“Superior Energy-Storage Capacitors with Simultaneously Giant Energy Density and Efficiency Using Nanodomain Engineered BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃ Lead-Free Bulk Ferroelectrics”发表在国际顶级学术期刊Adv. Energy Mater.上（影响因子24.884），这一研究成果为设计下一代高性能脉冲功率储能电容器提供新的技术思路和理论指导。该论文第一作者为祁核博士。

【图文导读】

图1 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫铁电陶瓷的PFM表征和和储能性能比较

图2 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫铁电陶瓷的储能特性

图3 BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃弛豫铁电陶瓷的高分辨TEM

【小结】

近年来，左如忠教授课题组一直围绕无铅铁电、反铁电材料的多尺度结构设计以及电学性能调控等方面，特别是针对领域内人们广泛关注的若干关键性基础问题和技术难题，如储能密度较低、储能密度和效率难以兼顾、储能性能的热稳定性差、击穿场强不足，以及储能介质材料在电场下结构演变规律等，开展了一系列系统性的研究工作。在国际上率先使用具有高自发极化强度的BiFeO₃材料作为基体，制备出一系列高性能无铅储能陶瓷电容器（J. Am. Ceram. Soc., 2015, 98, 2692-2695; J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37, 413-418; J. Eur. Ceram. Soc., 2019, 39, 2673-2679），创新性地结合了介电弛豫特性和反铁电材料的技术优势，设计出具有纳米畴结构的弛豫反铁电陶瓷材料，实现了陶瓷体材料储能密度的重要突破，并结合透射电子显微镜和原位同步辐射技术揭示了弛豫反铁电体具有优异储能性能的结构机理（Adv. Funct. Mater., 2019, 1903877; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978）。

该课题组近期在前期大量工作的基础上开展了针对性的研究，成功设计和合成了BiFeO₃-BaTiO₃-NaNbO₃三元系无铅钙钛矿铁电固溶体。一方面因禁带宽度的增大、晶粒细化以及电阻率的提高，体系的介电击穿强度显著提高；另一方面，伴随组成介电弛豫程度的明显增强，电畴结构逐渐由宏畴演变为纳米电畴。利用压电力显微镜和高分辨透射电子显微镜观测到局域结构不均匀的纳米微区结构，形成了对电场几乎无滞后的极化响应和对温度不敏感的高介电响应，为同时获得高储能密度、高储能效率和优异的温度稳定性提供了坚实的结构基础，并最终制备出性能优异的储能电容器，具有超高的放电储能密度~8.12 J/cm³、高储能效率~90%、优异的温度稳定性（(±10%, -50~250 ^oC）以及超快放电速率（t_0.9<100 ns）。

该工作利用弛豫铁电体的高储能效率和优异温度稳定性的优势，以及铁酸铋材料的超高自发极化强度，并通过高禁带宽度的铌酸钠对局域纳米畴结构不均匀性、介电弛豫特性、微观形貌和电阻率等进行调控。研究者相信，这一组成设计理念和研究成果将为设计下一代高性能脉冲功率储能电容器提供新的技术思路和理论指导。

论文链接：

http://ceramics.hfut.edu.cn/2018/1221/c5063a203536/page.htm

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903338

本文由合肥工业大学左如忠教授科研团队供稿。

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