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无铅压电陶瓷的压电及其介电储能性能研究

无铅压电陶瓷的压电及其介电储能性能研究

作者：王宝银宁波大学

学位级别：硕士

材料作为信息工业和社会经济发展的重要基础和有力保障，与能源、信息并称为现代文明的三大支柱，是人类赖以生存和可持续发展的重要物质基础。无论是提高人民基本的物质文化生活水平，还是巩固和加强国防工业等各个领域，都需要高性能... 详细信息

材料作为信息工业和社会经济发展的重要基础和有力保障，与能源、信息并称为现代文明的三大支柱，是人类赖以生存和可持续发展的重要物质基础。无论是提高人民基本的物质文化生活水平，还是巩固和加强国防工业等各个领域，都需要高性能、多层次的、大量的高新材料。锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷在其准同型相界处具有十分大的压电响应，因此被广泛应用到制动器、传感器和其它机电设备。然而，由于PZT基压电陶瓷中含有大量氧化铅成分，在制备PZT基压电陶瓷的过程中氧化铅具有十分高的挥发性，氧化铅是一种剧毒物质，会造成严重的铅污染和环境问题。因此,开发能满足需要的无铅压电陶瓷来代替含铅压电材料越来越引起大家的关注。本文主要工作有三大方面：第一方面，利用添加剂La可以使压电陶瓷在MPB处有更优异的压电响应这一原理，制备出一种新型的钛酸盐基压电陶瓷，研究并探讨了(Bi1-xNa0.8K0.2Lax)0.5TiO3(x=0,0.005,0.01,0.02,0.04,0.08)陶瓷体系的压电性、铁电性和退极化机制。研究发现，(Bi0.995Na0.8K0.2La0.005)0.5TiO3陶瓷有最高的压电性和最强的铁电性。第二方面，为了研究通过电场诱导产生可逆的弛豫铁电体相变来获得高介电储能密度的钛酸盐基陶瓷，选取(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3(BNBT-xKN)(x=0,0.01,0.02,0.04,0.06,0.08)这种陶瓷来研究它的介电储能性质。研究表明在一定温度范围内BNBT-0.06KN陶瓷表现出很好的温度稳定性和抗疲劳特性，这非常有利于实际应用。第三方面，在前一个实验的基础上对(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(BNT-xKN)(x=0,0.06,0.08,0.10,0.12)这个陶瓷体系继续进行了介电储能性质的探讨。获得了一个更简单的化学组成，这有利于铁电体的良好的一致性和可重复性，因此BNT-xKN比BNBT-xKN体系有更好的应用价值和前景。

关键词：无铅压电陶瓷压电性介电储能抗疲劳

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铌酸钠基介电陶瓷的制备及储能特性研究

铌酸钠基介电陶瓷的制备及储能特性研究

作者：魏甜华中科技大学

学位级别：硕士

铌酸钠具有适中的介电常数,较高的电击穿强度,是理想的介电储能陶瓷电容器材料。在高电场下,铌酸钠的场感应铁电相使得材料剩余极化增加,储能效率低。因此,本文对铌酸钠进行化学改性以破坏其电场诱导铁电相,获得适宜于储能应用的新体系... 详细信息

铌酸钠具有适中的介电常数,较高的电击穿强度,是理想的介电储能陶瓷电容器材料。在高电场下,铌酸钠的场感应铁电相使得材料剩余极化增加,储能效率低。因此,本文对铌酸钠进行化学改性以破坏其电场诱导铁电相,获得适宜于储能应用的新体系铌酸钠基陶瓷。分别采取低温烧结,放电等离子烧结的方法,使陶瓷晶粒细化,进一步增强陶瓷的介电储能性能。具体研究内容与结论如下:(1)选取弛豫铁电体SrBiTi O(SBT)对Na Nb O(NN)进行掺杂。SBT的纳米极性微区引入后可以破坏NN基体中铁电的长程有序性。随着SBT含量的增加,陶瓷的击穿场强得到提高,反铁电-铁电相变电场提高至陶瓷的击穿场强之上。在200k V/cm电场下对不同含量SBT掺杂样品进行比较,NN-24SBT具有最低的剩余极化。同时,还具有优异的温度(25℃-125℃)稳定性和频率(10 Hz-500 Hz)稳定性。最终NN-24SBT陶瓷在350 k V/cm的电场下达到4.74 J/cm的可释放储能密度并兼具87.5%的高储能效率。(2)针对NN-SBT体系烧结温度较高,并且在烧结过程中Na,Bi元素易挥发,导致陶瓷对烧结温度敏感,性能不稳定的问题,选取Cu O作为助烧结剂,制备NN-24SBT:Cu O复合陶瓷。Cu O的添加成功将烧结温度由1140℃降低至995℃。降低的烧结温度以及在晶界处分布的Cu O均能抑制基体晶粒生长,有利于提高复合陶瓷击穿场强。最终,复合陶瓷在470 k V/cm的电场下达到6.28 J/cm的可释放储能密度,展现出降低晶粒大小对铌酸钠基陶瓷储能性能的积极影响。(3)采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)工艺制备NN-24SBT,相比低温烧结,能够避免由于第二相扩散造成的陶瓷性能下降。SPS法制备的NN-24SBT陶瓷晶粒平均尺寸降低至1.62μm。结合陶瓷SEM进行电场模拟,发现更多的晶界使得材料电势分布更均匀,晶界处承受的局部电场更低。因此,细晶陶瓷的击穿强度得到显著提高。最终SPS法制备的NN-24SBT陶瓷击穿场强提高至578k V/cm,相对常规烧结法提高65%,储能密度达到12.21 J/cm,并具有84.1%的高储能效率。

关键词：铌酸钠击穿场强介电储能复合陶瓷放电等离子烧结

高击穿场强钛酸铋钠基介电陶瓷的结构设计与储能特性研究

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高击穿场强钛酸铋钠基介电陶瓷的结构设计与储能特性研究

作者：李梅华中科技大学

学位级别：硕士

电子电力系统的小型化与集成化的飞速发展使得在可控核聚变、新能源电动汽车、高端医疗器械等领域迫切需要一种具有高功率密度、快速充放电能力和高储能密度的电介质材料。NaBiTiO(NBT)基陶瓷电介质因具有高极化强度和优异的温度稳定性... 详细信息

电子电力系统的小型化与集成化的飞速发展使得在可控核聚变、新能源电动汽车、高端医疗器械等领域迫切需要一种具有高功率密度、快速充放电能力和高储能密度的电介质材料。NaBiTiO(NBT)基陶瓷电介质因具有高极化强度和优异的温度稳定性而被广泛研究,但其仍然存在击穿场强较低这一缺点。本文通过系统研究成分调控、2-2型复合及0-3型复合结构设计对NBT基陶瓷的影响,物相组成、微观结构、介电性能、击穿特性和储能性能的影响,探讨了材料结构和性能之间的关系。主要研究成果及创新如下:研究了钛酸铋钠基陶瓷的击穿场强与剩余极化强度的调控工艺与机理,主要研究成果及创新如下:首先,采用传统固相反应法制备了(1-x)NaBiTiO-xSrBiTiO(x=0.35、0.45、0.55和0.65)陶瓷,并研究了其介电储能特性。结果表明,随着SBT含量增加,大尺寸晶粒减少,晶粒尺寸更加均匀。介电温谱中的介电峰值对应的温度T逐渐降低,介电常数的温度稳定性得到提高,并且铁电性减弱、弛豫性增强,宏观铁电畴被细化,从而使储能特性得到改善。在100 k V/cm的电场下,x=0.55时NBT-SBT陶瓷具有最佳的可释放储能密度1.34 J/cm及96.03%的储能效率。然后,利用具有高极化强度的0.65NaBiTiO-0.35SrTiO(NBT-ST)陶瓷和高储能效率的0.45NaBiTiO-0.55SrBiTiO(NBT-SBT)陶瓷进行2-2型复合。通过控制堆叠方式研究界面数量对击穿行为的影响。结果表明,层间界面的增加有利于击穿场强的提高。在单层NBT-ST/NBT-SBT交替堆叠的2-2型复合陶瓷中获得了最大的击穿场强242 k V/cm,实现了高可释放储能密度4.48 J/cm和约90%的储能效率。同时,NBT-ST/NBT-SBT复合陶瓷的储能性能也表现出优异的频率稳定性(10～200 Hz)和温度(25～125℃)稳定性。最后,由于NBT-ST/NBT-SBT 2-2型复合陶瓷界面扩散较为严重对储能性能有一定影响,选择了具有优异化学稳定性和高击穿场强的AlN进行复合,制备了0.45NaBiTiO-0.55SrBiTiO/xAlN 0-3型复合陶瓷。结果表明,添加AlN显著降低了NBT-SBT陶瓷的晶粒尺寸和介电常数,提高了击穿场强。在x=6.0wt.%时,获得了具有360 k V/cm的超高击穿场强,90.12%的高储能效率以及5.53J/cm的超高可释放储能密度。

关键词：弛豫铁电体钛酸铋钠复合陶瓷介电储能击穿场强

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接枝聚丙烯电容薄膜的高温储能特性

中国电机工程学报 2023年

作者：罗兵李君洛王少杰胡世勋徐永生肖微徐刚毅何金良李琦电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 特高压电力技术与新型电工装备基础国家工程研究中心

随着海上风电、电动汽车和油气勘探的迅速发展，对薄膜电容器的工作温度提出了更高的要求。然而，当环境温度达到120 °C时，目前使用最为广泛的双向拉伸聚丙烯(BOPP)电容薄膜充放电效率急剧下降，不能满足应用需求。本文制备了苯乙烯... 详细信息

随着海上风电、电动汽车和油气勘探的迅速发展，对薄膜电容器的工作温度提出了更高的要求。然而，当环境温度达到120 °C时，目前使用最为广泛的双向拉伸聚丙烯(BOPP)电容薄膜充放电效率急剧下降，不能满足应用需求。本文制备了苯乙烯接枝聚丙烯(PP-g-St)双向拉伸电介质薄膜，在120 °C下，PP-g-St可以将能量密度从0.23 J/cm3提高到1.67 J/cm3(储能效率在90%以上)，同时接枝后击穿场强大幅提升，高温泄漏电流得到了有效的抑制，这源自于接枝后引入的深陷阱限制了载流子的输运。接枝样品中的自聚相经拉伸后与基体具有良好的相容性。本研究为适用于高温高场条件的聚丙烯基电容器薄膜材料的大规模制备提供了可能。

关键词：接枝聚丙烯双向拉伸薄膜薄膜电容器高温介电储能

柔性纤维素纳米纤维基介电储能膜的结构与性能

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柔性纤维素纳米纤维基介电储能膜的结构与性能

第十一届全国高聚物分子与结构表征学术研讨会

作者：杨全岭张铖钢王锦玉杨俊伟陈浩石竹群熊传溪武汉理工大学材料科学与工程学院武汉理工大学化学化工与生命科学学院

＜正＞能源、资源与环境是当今世界面临的重要问题,寻求简单有效、绿色环保的方法开发出高储能密度的柔性天然高分子基介电储能材料具有重要意义[1]。纤维素是地球上含量最为丰富的天然高分子,尤其,纤维素微纤具有高的力学强度、硬度和... 详细信息

＜正＞能源、资源与环境是当今世界面临的重要问题,寻求简单有效、绿色环保的方法开发出高储能密度的柔性天然高分子基介电储能材料具有重要意义[1]。纤维素是地球上含量最为丰富的天然高分子,尤其,纤维素微纤具有高的力学强度、硬度和热尺寸稳定性,是优良的纳米材料。TEMPO表面催化氧化水体系可以高效完全分离纤维素微纤,并制备水相分散、尺寸均一、高长度、高比表面积、高表面羧基含量的纤维素纳米纤维。这种TEMPO纤维素纳米纤维不仅是性能优异的增强材料[2],也可以作为基底使用[3]。纯纤维素纳米纤维膜具有高的介电常数,

关键词：纤维素纳米纤维交联氮化硼纳米片介电储能薄膜电容器

来源： cnki会议评论

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储能电容器用弛豫铁电陶瓷充放电性能研究

储能电容器用弛豫铁电陶瓷充放电性能研究

作者：上阳超陕西科技大学

学位级别：硕士

人们对于电能的需求与日俱增,储能材料及器件的研发成为当前的研究热点,电介质陶瓷电容器具有快的充放电速度,因此成为储能设备的首要选择。钛酸铋钠铁电体具备高极化强度和良好温度稳定性等优点,可被用作储能陶瓷电容器介质材料,但是,... 详细信息

人们对于电能的需求与日俱增,储能材料及器件的研发成为当前的研究热点,电介质陶瓷电容器具有快的充放电速度,因此成为储能设备的首要选择。钛酸铋钠铁电体具备高极化强度和良好温度稳定性等优点,可被用作储能陶瓷电容器介质材料,但是,低击穿电场和高介电损耗制约着其储能及充放电性能。针对目前存在的问题,采用调控陶瓷介质材料成分组成、优化表面电极和改变陶瓷尺寸参数等手段提高其储能性能,并研究相结构、微观结构等对陶瓷储能和充放电性能影响,最后将陶瓷样品进行包封测试并应用于倍压电路试验。采用固相法制备了(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBa0.85Ca0.15Ti0.85Zr0.1Sn0.05O3(x=0.1-0.7,NBT-BCZTS)陶瓷。XRD分析表明无杂相产生,晶体结构为伪立方相,固溶后陶瓷平均离子半径增大,XRD衍射峰向低角度偏移。随着BCZTS添加量的增加,陶瓷晶粒明显减小。陶瓷介电峰逐渐移向室温并展宽,弛豫程度明显提高。非铁电相的引入打破了原有铁电长程有序结构,形成纳米极化微区,电滞回线逐渐细化。晶粒细化后击穿性能得到明显提升,当x=0.5时,陶瓷在190kV/cm电场下,储能密度为1.6J/cm3,储能效率为80%。通过充放电性能测试,陶瓷在120kV/cm电场下获得了 42A的Imax和0.25J/cm3的Wdis-max。与此同时,陶瓷在20-120℃范围内,Wdis-max表现出上升趋势,表明其具有一定高温应用潜力。分析表明弛豫铁电陶瓷畴结构的翻转引起的能量损耗导致陶瓷电介质在电滞回线和充放电测试中能量密度存在差异。选择组分0.5NBT-0.5BCZTS陶瓷研究电极制备工艺及电极种类对介电及充放电性能影响。分别采用磁控溅射法(S-Ag)和烧渗法(C-Ag)制备出银电极。经过微观形貌表征,C-Ag银层中存在孔洞,与陶瓷表面接触区产生缝隙造成有效电容减小,S-Ag表面平整,与陶瓷接触紧密。因此S-Ag样品介电常数(970)高于C-Ag样品(926),平均击穿电场从255 kV/cm提高至270kV/cm。S-Ag样品在220kV/cm电场下储能密度达到2.3 J/cm3,充放电测试 S-Ag 样品在 120 kV/cm 电场下Imax为 45 A,Wdis-max 为 0.37 J/cm3。利用磁控溅射法制备出金电极(S-Au)。S-Au样品微观结构和介电性能与S-Ag相似。溅射金电极在200 kV/cm电场下储能密度为1.9 J/cm3,储能效率为78%。溅射银电极比其电极具有更优异的性能。研究了电极面积和样品厚度对0.5NBT-0.5BCZTS陶瓷充放电性能影响。在100 kV/cm电场下,当样品电极面积从0.0314 cm2增加到0.2826 cm2,欠阻尼电流峰值从20 A增加到61 A,Wdis-max在维持在0.2 J/cm3,t0.9从25 ns增加到140ns。样品电极面积增大能够提高电流峰值。随着陶瓷样品厚度增加(0.2-0.7 mm),欠阻尼电流峰值从50 A增加到100 A,功率密度从8 MW/cm3增加到17MW/cm3,t0.9从190 ns减小为60 ns。结果表明增加样品厚度可以在提高电流峰值的同时缩短放电时间。当电路串联电阻阻值增加(43-400 Ω),过阻尼放电t0.9值从60 ns增加到420 ns。外电路电感值增加会降低欠阻尼放电峰值,使电路由过阻尼变为欠阻尼。结果表明样品尺寸参数、电极面积及电路参数等非本征因素能够影响电介质的放电性能,目前储能领域中将充放电测试数据在测试条件未统一的情况下进行直接比较并不规范。因此提出,在表征充放电性能时,应在陶瓷电极直径为0.3 cm,样品厚度0.03 cm,过阻尼放电负载100Ω,电感2 μH的统一标准下进行测试。将0.5NBT-0.5BCZTS陶瓷样品被银、焊接引线后用环氧树脂包封制成陶瓷电容器,进行一系列测试并应用于倍压整流电路,电路放电高压可在放电端子间距1 mm时将空气击穿,产生稳定电弧。

关键词：介电储能钛酸铋钠弛豫铁电陶瓷充放电电极效应

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钛酸铋基铁电薄膜的储能特性调控

钛酸铋基铁电薄膜的储能特性调控

作者：蔺伟内蒙古大学

学位级别：硕士

随着现代微电子器件朝着集成化、轻量化和小型化发展,基于铁电材料的薄膜介电电容器凭借其功率密度高、充放电速度快等优点,被广泛研究用于先进的电子和电力系统。然而,长期存在的瓶颈是——它们的储能密度远小于电池等电化学储能装置,... 详细信息

随着现代微电子器件朝着集成化、轻量化和小型化发展,基于铁电材料的薄膜介电电容器凭借其功率密度高、充放电速度快等优点,被广泛研究用于先进的电子和电力系统。然而,长期存在的瓶颈是——它们的储能密度远小于电池等电化学储能装置,且由于铁电疲劳的存在,其储能性能随着充放电次数的增加而不断下降,这限制了它们进一步的实际应用。因此,寻求替代的策略来开发和设计同时具有高储能密度和疲劳稳定性的薄膜铁电电容器迫在眉睫。铋系Aurivillius相铁电氧化物具有相对介电常数大、铁电-顺电相变温度高等特点,使得它们可以在宽温度范围通过外部电场产生较强的铁电极化,在单位体积将大规模电能以极化的形式贮存起来,实现较高的能量存储密度。本文选用经典的无铅铋系层状钙铁电体钛酸铋作为母体材料,通过层间晶格结构设计和组分修饰等调控手段对母体材料进行储能改性,最终成功设计和开发出适用于低场和高场下储能的薄膜铁电电容器。此外,通过多尺度外/原位的结构和电学性质表征,并结合理论分析,详细讨论了优异介电储能特性背后的物理机制。本文主要的研究内容如下:1.利用插层调控手段对BiTiO(BIT)薄膜的层间晶格结构进行设计,通过溶胶-凝胶法分别将0-2层Bi Al O插入到BIT中,制备出具有不同层数伪钙钛矿结构的BiTiO-n Bi Al O(BIT-n BAO)(n=0,1,2)薄膜材料,并探究了层间结构层数对材料储能性能的影响。在掺入Bi Al O层状结构后,材料展现出遍历弛豫铁电体独有的内禀遍历特征——电场驱动的弛豫-铁电相之间的可逆相互转化。这使得BiTiO-Bi Al O(BIT-BAO)与BiTiO-2Bi Al O(BIT-2BAO)表现出有趣的双电滞回线,并在拥有高最大极化的同时伴随着低剩余极化,一定程度上增加了储能密度和储能效率。最终BIT-BAO薄膜展现出最优的储能性能,在1800 k V cm的低电场下获得了62.0 J cm的储能密度及71.44%的储能效率,以及评估低场储能性能的储能系数达到了0.0345 J k Vcm的超高值。这项工作为设计和开发适用于低场储能的介电电容器提供了提供了新的思路。2.利用掺杂对钛酸铋基铁电体BiTiO-Bi Al O(BIT-BAO)进行组分修饰,通过溶胶-凝胶法制备BiLaTiAl O(BLAT)(x=0,0.75,1.00,1.25)薄膜,在A位掺杂稀土元素调控材料的弛豫特性并研究其内在机理。掺杂镧元素导致微观畴结构尺寸明显减小,击穿电场大幅提升,储能应用电场成功扩宽,使其可在高场下应用。同时材料的弛豫特性增强,因此储能密度和效率均得以提升。最终在具有强弛豫特性的遍历铁电体BiLa TiAl O中同时获得了139.1 J cm的超高能量密度,89.2%的效率和3069 MW cm功率密度,以及高达1285.6 J cm的储能优值U,伴随着优异的疲劳、温度、频率稳定性。这项工作调控了铁电体的遍历弛豫特性,为铁电薄膜在高场储能应用提供了一种另辟蹊径的设计思路。

关键词：铁电薄膜铋系层状钙钛矿介电储能弛豫特性遍历特性

基于界面工程设计的储能型铁电陶瓷/聚合物复合材料

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基于界面工程设计的储能型铁电陶瓷/聚合物复合材料

作者：王铜铜南昌航空大学

学位级别：硕士

聚合物基薄膜电容器凭借超高的工作电压、超快的充放电速率、超高的功率密度以及轻质柔性等特点,在电磁脉冲武器、电动汽车、医疗电子等多个领域得到了广泛应用。当前的聚合物电介质材料由于偏低的介电常数而导致的低放电能量密度,使其... 详细信息

聚合物基薄膜电容器凭借超高的工作电压、超快的充放电速率、超高的功率密度以及轻质柔性等特点,在电磁脉冲武器、电动汽车、医疗电子等多个领域得到了广泛应用。当前的聚合物电介质材料由于偏低的介电常数而导致的低放电能量密度,使其难以满足当前电子设备与器件对薄膜电容器轻量化、小型化与集成化的迫切需求。在聚合物基体中添加高介电常数陶瓷填充物,制备聚合物基柔性复合材料是提高放电能量密度的有效策略。本论文以优选不同类型铁电陶瓷填充物与聚合物基体,基于界面工程,设计开发高储能性能的铁电陶瓷/聚合物复合材料为目标,具体开展了以下几方面工作:首先,针对铁电陶瓷/聚合物复合材料中介电常数与击穿场强难以协同提高的问题,开展了第一部分研究工作。为了获得高介电常数的铁电陶瓷填料,制备了具有准同型相界(MPB)结构的锆钛酸铅[Pb(ZrTi)O,PZT]纳米立方,进一步,基于界面工程,设计制备了核壳结构的PZT@SiO纳米立方。在此基础上,以铁电聚合物聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)[P(VDF-CTFE)]为基体制备了PZT@SiO/P(VDF-CTFE)介电复合材料。研究表明,制备的复合材料能够在491 MV/m的高击穿场强下,以70%的充放电效率,释放16.8 J/cm的能量,比起纯P(VDF-CTFE),放电能量密度提高了107%。其次,针对上述研究中P(VDF-CTFE)等铁电聚合物复合材料存在的高电滞损耗,导致充放电效率不高以及含铅PZT不环保的问题。本部分的研究选择线性聚合物聚甲基丙基酸甲酯(PMMA)为基体,以钛酸钡纳米线(BT NWs)为填料,制备PMMA基复合材料。针对无机填充物与有机聚合物基体之间界面相容性差的问题,基于界面工程,以多巴胺作为界面修饰剂,制备了BT@dopa NWs/PMMA介电复合材料。研究表明,多巴胺表面改性可以有效提高BT NWs与PMMA的界面结合性以及填充物分散性,制备的BT@dopa NWs/PMMA介电复合材料击穿场强可达518 MV/m,实现了9.55 J/cm的高放电能量密度以及83.6%的充放电效率。最后,在上一研究的基础上,为了降低BT NWs与线性聚合物之间高介电常数差异导致的界面电场畸变,研究基于界面工程设计制备了双核壳结构的BT@SiO@dopa NWs。实验结果和理论计算模拟证实了核壳结构设计不仅可以有效降低复合材料的剩余电位移,还能抑制漏电流密度。BT@SiO@dopa NWs/PMMA介电复合材料击穿场强可以提高到595 MV/m,放电能量密度高达11.78 J/cm,充放电效率可以提高到91%。本文的研究为下一代高储能性能的陶瓷/聚合物复合材料的开发与制备提供了新思路。

关键词：介电储能界面工程铁电陶瓷填料聚合物核壳结构

CaBi4Ti4O15基薄膜的制备与储能特性研究

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CaBi4Ti4O15基薄膜的制备与储能特性研究

作者：王文文济南大学

学位级别：硕士

电介质电容器由于具有高的功率密度,超快的电能充/放速率,工作稳定性好等优势在现代电子和电力系统中具有十分重要的地位,如新能源发电系统、混合动力汽车和医用除颤器等。近年来,关于电容器储能性能的研究日渐丰富,目前商用的聚合物BOP... 详细信息

电介质电容器由于具有高的功率密度,超快的电能充/放速率,工作稳定性好等优势在现代电子和电力系统中具有十分重要的地位,如新能源发电系统、混合动力汽车和医用除颤器等。近年来,关于电容器储能性能的研究日渐丰富,目前商用的聚合物BOPP储能密度低(介电电容器具有能量密度相对较高、在较宽的工作温度范围内具有较好的热稳定性和长期耐用等优点。其中,无机铁电薄膜电容器具有高的介电常数和高极化强度,在介电储能方面具有良好的发展潜能。然而,高的剩余极化和较低的抗击穿场强限制了其在储能应用中的进一步发展。因此,寻找合适的铁电薄膜材料并对其储能特性进行优化,进一步提高电介质电容器设备的储能密度和储能效率是获得高性能储能电容器面临的主要问题。CaBiTiO(CBTi)为一种典型的铋层状结构材料,属于铁电材料中的一大类。铋层状结构是一种天然的超晶格结构,它是由类钙钛矿层(ABO)和类萤石层(BiO)交替堆叠而成。CBTi铁电薄膜拥有天然的绝缘层,能够获得良好的漏电流密度,并且是环境友好型材料,有望在储能应用中获得优异的表现。但是由于其固有的局限性,如相对较低的极化强度(储能性能。具体研究内容如下:1.采用金属有机物分解法结合旋涂技术,在Pt(111)/Ti O/Si O/Si衬底上成功地制备了多层薄膜电容器。通过优化CBTi和BFO的堆叠方式,在CBTi堆叠层数为3时,即3CBTi/BFO薄膜样品处达到较大极化差值和适中抗击穿电场强度E,实现了最优的储能性能,其有效储能密度W达70.4 J/cm,储能效率η为73.8%。探究3CBTi/BFO薄膜样品的工作稳定性,发现在-25-200°C范围内表现出优异的宽温稳定性,在500 Hz-20k Hz范围内具有良好的频率稳定性,在反复极化翻转高达1×10次后储能性能没有明显恶化。2.为了进一步改善CBTi基薄膜的储能性能,采用金属有机分解法结合旋涂技术,在Pt(111)/Ti O/Si O/Si衬底上成功地制备了CBTi-x BFO(x=0,0.05,0.1,0.15)体系薄膜。所制备的薄膜都呈现出多晶铋层状结构,无杂相生成。通过BFO组分的引入,增大了薄膜的最大极化强度P并降低了漏电流密度,增加了薄膜抗击穿场强E。对该体系薄膜进行电学性能测试,结果显示:随着BFO固溶量的增加,CBTi-x BFO薄膜的抗击穿场强E先增大后减小,在x=0.1处达到最大;最大极化强度P逐渐增加,在x=0.1处有最大的极化强度差异P-P;两者共同作用使CBTi-0.1BFO薄膜具有最大的W和η,分别为82.8 J/cm和78.3%。3.鉴于CBTi-0.1BFO薄膜具有最优的储能性能,对其进行了退火温度的调控。CBTi-0.1BFO薄膜结晶温度窗口较小,在500-550°C退火温度下呈现多晶铋层状结构,无杂相,而在450°C时热能不充分导致非晶相的生成,在600°C时则生成了焦绿石相。退火温度对CBTi-0.1BFO薄膜储能性能具有显著的影响,在500°C处退火的CBTi-0.1BFO薄膜兼顾了高的储能密度W和储能效率η。CBTi-0.1BFO薄膜在较低的退火温度下,具有大的本征电阻R和大的活化能E,相应薄膜的本征击穿场强越高。在500°C下退火的CBTi-0.1BFO薄膜在1×10次充放电循环后可以表现出优异的抗疲劳特性,在-25-200°C温度区间内呈现良好的热稳定性和在500 Hz-20 k Hz范围内具有良好的频率稳定性。

关键词： CaBi4Ti4O15 Bi(Fe0.93Mn0.05Ti0.02)O3 铁电薄膜介电储能