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NaNbO_(3)–CaZrO_(3)–Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)三元系陶瓷的相结构与储能性能

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硅酸盐学报 2023年第6期51卷 1530-1540页

作者：王子瑄李卓张家勇张静牛艳辉长安大学材料科学与工程学院西安710064

铌酸钠(NaNbO_(3))无铅陶瓷由于其无毒和出色的储能性能,在脉冲功率电容器领域吸引了越来越多的关注。然而,由于较大的有效储能密度(Wrec)和高的储能效率(η)不能同时实现,限制了其商业化。通过构建局域随机场,增加弛豫特性来提高储能... 详细信息

铌酸钠(NaNbO_(3))无铅陶瓷由于其无毒和出色的储能性能,在脉冲功率电容器领域吸引了越来越多的关注。然而,由于较大的有效储能密度(Wrec)和高的储能效率(η)不能同时实现,限制了其商业化。通过构建局域随机场,增加弛豫特性来提高储能性能的策略。采用传统固相法制备了(1–x)(0.96Na Nb O_(3)–0.04CaZrO_(3))–x Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)(x=0.05、0.10、0.15、0.20)反铁电储能陶瓷,研究了不同含量Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)对0.96Na Nb O_(3)–0.04CaZrO_(3)陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和储能特性的影响。结果表明:随着Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)含量的增加,(1–x)(0.96NaNbO_(3)–0.04CaZrO_(3))–x Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)固溶体由反铁电正交P相(x≤0.10)转变为反铁电正交R相(x≥0.15),同时介电峰向低温方向移动并变矮宽化,呈现出明显的弛豫特性。其中,0.85(0.96Na Nb O_(3)–0.04CaZrO_(3))–0.15Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)陶瓷在室温260 kV/cm的场强下展示出最好的储能性能(储能密度Wrec=1.614 J/cm3,储能效率η=83.97%),且当温度在25~150℃变化时,表现出良好的温度的稳定性(Wrec变化幅度储能效率,是一种非常有前途的高温脉冲功率电容器材料。

关键词：铌酸钠反铁电陶瓷储能性能温度稳定性

基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究进展

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高电压技术 2023年第3期49卷 1067-1080页

作者：张天栋于海楠张昌海哈尔滨理工大学电气与电子工程学院哈尔滨150080

聚合物薄膜电容器具有功率密度高、释放瞬时电流大、成本低以及易加工等优点,在电气装备与电子器件中有着广泛应用。近些年,聚合物电容薄膜研究材料体系不断丰富,纳米/微纳米功能填料复合、聚合物分子链结构控制、介观/宏观多层界面设... 详细信息

聚合物薄膜电容器具有功率密度高、释放瞬时电流大、成本低以及易加工等优点,在电气装备与电子器件中有着广泛应用。近些年,聚合物电容薄膜研究材料体系不断丰富,纳米/微纳米功能填料复合、聚合物分子链结构控制、介观/宏观多层界面设计等方法均显著提升了聚合物薄膜的放电能量密度和充放电效率。其中,基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究得到了极大关注。论文综述了具有多层结构聚合物储能介质研究领域的最新进展,系统地介绍了多层结构设计对复合薄膜极化、击穿和高温电导等特性的影响机制,并从纳米复合多层结构、全有机多层结构和耐高温多层结构3个方面总结提高储能性能的方法。最后,对基于多层结构设计的复合薄膜未来发展做出简要展望。

关键词：聚合物多层结构界面储能性能高温

Tm^(3+)对AgNbO_(3)反铁电陶瓷微结构和储能性能的影响

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材料导报 2023年第6期37卷 30-35页

作者：周创蔡苇陈大凯杨蕊如章恒陈刚重庆科技学院冶金与材料工程学院重庆401331 纳微复合材料与器件重庆市重点实验室重庆401331

AgNbO_(3)无铅反铁电材料作为一种极具潜力的电介质储能材料,近年来受到了广泛的关注。然而,储能密度和储能效率较低,限制了它的应用。本工作研究了Tm^(3+)对AgNbO_(3)陶瓷的微结构、介电性、铁电性和储能性能的影响。结果表明,Tm^(3+)... 详细信息

AgNbO_(3)无铅反铁电材料作为一种极具潜力的电介质储能材料,近年来受到了广泛的关注。然而,储能密度和储能效率较低,限制了它的应用。本工作研究了Tm^(3+)对AgNbO_(3)陶瓷的微结构、介电性、铁电性和储能性能的影响。结果表明,Tm^(3+)取代AgNbO_(3)陶瓷A位的Ag^(+),具有明显的细化晶粒的作用,增强了反铁电相的稳定性,使其储能性能显著提升。反铁电相稳定性的增强是由于Tm^(3+)的引入降低了结构的容差因子和产生了Ag空位,破坏了阳离子位移和氧八面体倾斜等长程相互作用的结果。AgNbO_(3)-0.1%(原子分数)Tm_(2)O_(3)陶瓷在200 kV/cm下表现出优异的储能性能(可回收储能密度为3.32 J/cm^(3),储能效率为62.5%),在高功率脉冲电子器件中具有潜在的应用前景。

关键词： AgNbO_(3) 反铁电储能性能弛豫行为

立方体状SrTiO_(3)粉体/聚偏氟乙烯电介质复合薄膜的储能性能

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复合材料学报 2023年第8期40卷 4637-4647页

作者：刘少辉王娇王菲菲王远河南工程学院材料工程学院河南省电子陶瓷材料与应用重点实验室郑州451191 河南工程学院材料工程学院河南省稀土复合材料国际联合实验室郑州451191

高工作场强、高储能效率的电介质储能材料对提高电力设备的性能、减小电力设备体积具有重要影响。采用混合碱法制备出立方体状SrTiO_(3)粉体作为陶瓷填料,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面包覆改性对立方体状SrTiO_(3)粉体进行表面处理,利... 详细信息

高工作场强、高储能效率的电介质储能材料对提高电力设备的性能、减小电力设备体积具有重要影响。采用混合碱法制备出立方体状SrTiO_(3)粉体作为陶瓷填料,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面包覆改性对立方体状SrTiO_(3)粉体进行表面处理,利用流延法制备出了均匀的聚偏氟乙烯(PVDF)电介质复合薄膜。系统研究了表面PVP包覆改性立方体状SrTiO_(3)粉体对PVDF电介质复合薄膜介电性能和储能密度的影响。结果表明:混合碱法制备出的SrTiO_(3)粉体的形貌为立方体状,尺寸为200~400 nm,粒径分布比较均匀,PVP的官能团和立方体状SrTiO_(3)粉体的表面建立起共价的相互作用,在立方体状SrTiO_(3)粉体表面形成PVP包覆层,可以有效防止立方体状SrTiO_(3)粉体在PVDF电介质复合薄膜中的团聚,同时PVP包覆层可以改善立方体状SrTiO_(3)粉体在PVDF聚合物中分散和结合情况。PVDF电介质复合薄膜具有良好的介电性能和耐击穿性能,PVDF电介质复合薄膜的介电常数随着填充量的增加而增加,当立方体状SrTiO_(3)粉体填充量为40vol%时,电介质复合薄膜的介电常数为34.9。PVDF电介质复合薄膜的储能密度随着填充量的增加而先增加后降低,当表面PVP包覆改性处理立方体状SrTiO_(3)粉体的填充量为5vol%时,电介质复合薄膜的储能密度达5.3 J/cm^(3)。

关键词：钛酸锶复合薄膜储能性能介电性能表面改性聚偏氟乙烯(PVDF)

(0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3))-xFe_(2)O_(3)反铁电陶瓷的介电及储能性能研究

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无机材料学报 2022年第5期37卷 499-506页

作者：叶芬江向平陈云婧黄枭坤曾仁芬陈超聂鑫成昊景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西省先进陶瓷材料重点实验室景德镇333001 铜仁学院材料与化学工程学院铜仁554300

0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3)(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线,但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低,限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe_(2)O_(3),利用Fe^(3+)离子变价的特点,实现NNCZ储能性能的优化。采用... 详细信息

0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3)(简称NNCZ)陶瓷在室温下展现出稳定的双电滞回线,但是其储能密度、储能效率和击穿强度都比较低,限制其成为储能材料。本工作通过掺杂Fe_(2)O_(3),利用Fe^(3+)离子变价的特点,实现NNCZ储能性能的优化。采用传统固相法制备了(0.96NaNbO_(3)-0.04CaZrO_(3))-xFe_(2)O_(3)(简称NNCZ-xFe)反铁电储能陶瓷,并对样品的相结构、微观形貌、电学性能和储能性能进行了表征,重点研究了Fe_(2)O_(3)掺杂量对NNCZ陶瓷介电和储能性能的影响规律。结果表明,样品均具有单一的钙钛矿结构,掺杂Fe_(2)O_(3)能明显降低NNCZ陶瓷的烧结温度,晶粒平均尺寸随着掺杂量增大先减小后增大,掺杂量x=0.02时,晶粒平均尺寸最小(5.04μm),且具有较好的储能性能。室温下,NNCZ-0.02Fe击穿强度为230kV/cm,击穿前的有效储能密度和储能效率分别为1.57J/cm^(3)和55.74%。在125℃和外加电场180kV/cm下,NNCZ-0.02Fe的储能密度为4.53J/cm^(3)。掺杂Fe_(2)O_(3)使NNCZ陶瓷的烧成温度降低,氧空位的迁移速率下降,抑制晶粒的长大,同时降低了介电损耗,使得击穿强度增加;适量氧空位钉扎使得反铁电相向铁电相相翻转变得困难,避免出现哑铃状双电滞回线,从而提高储能效率。本研究结果表明NNCZ-xFe在电介质储能领域具有潜在应用价值。

关键词： NaNbO_(3) 反铁电材料储能性能介电性能

絮状三元镍钴铁氢氧化物电极材料的制备及其电化学储能性能

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无机化学学报 2022年第1期38卷 31-38页

作者：谢登奎范爱玲庞伟郭亚奇高殿超北京工业大学材料与制造学部先进功能材料教育部重点实验室北京100124

采用一步溶剂热法在泡沫镍(NF)基底上合成了镍钴氢氧化物、镍铁氢氧化物及镍钴铁氢氧化物3种电极材料,并对其电化学性能进行测试,结果表明:三元镍钴铁金属电极的储能性能要远大于其他2种二元金属电极,其在2 mA·cm^(-2)电流密度下能达到... 详细信息

采用一步溶剂热法在泡沫镍(NF)基底上合成了镍钴氢氧化物、镍铁氢氧化物及镍钴铁氢氧化物3种电极材料,并对其电化学性能进行测试,结果表明:三元镍钴铁金属电极的储能性能要远大于其他2种二元金属电极,其在2 mA·cm^(-2)电流密度下能达到5.11 F·cm^(-2)的面积比电容,并且构筑的非对称超级电容器在功率密度为46.814 W·m^(-2)时所能达到的最大能量密度为5.994 Wh·m^(-2)。研究发现三元镍钴铁金属电极的优异储能性能可归因于其疏松的絮状结构使其在单位体积内具有更大的比表面积,能储存更多的电荷,同时掺杂钴、铁元素后,可增强电极内部电子转移,降低活性物质和电解液之间的接触电阻,提高导电性。

关键词：溶剂热法镍钴铁三元金属电极超级电容器储能性能

基于氧化硅绝缘层改性的PMMA复合薄膜储能性能研究

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中国电机工程学报 2022年第7期42卷 2797-2804页

作者：张天栋戚振飞张昌海冯宇迟庆国陈庆国哈尔滨理工大学电气与电子工程学院黑龙江省哈尔滨市150080

聚合物电介质因具有击穿电压高、柔性好、成本低、加工容易和质量轻等优点而备受青睐,其在电气工程领域具有广泛的应用。该文以聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)作为基体,二氧化硅(SiO_(2))作为绝缘层,综合利用溶液流延... 详细信息

聚合物电介质因具有击穿电压高、柔性好、成本低、加工容易和质量轻等优点而备受青睐,其在电气工程领域具有广泛的应用。该文以聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)作为基体,二氧化硅(SiO_(2))作为绝缘层,综合利用溶液流延法和磁控溅射技术,成功制备了具有三明治结构的SiO_(2)/PMMA/SiO_(2)复合薄膜。在PMMA薄膜与金属电极之间引入宽禁带SiO_(2)薄层作为界面势垒层,能够抑制电极电荷注入,提升击穿强度;通过改变磁控溅射时间来调控SiO_(2)绝缘层生长厚度,系统研究SiO_(2)薄层厚度对复合薄膜的微观结构和介电性能的影响。研究表明,当磁控溅射工作时间为2h,SiO_(2)薄层厚度约为240nm,此时SiO_(2)/PMMA/SiO_(2)复合薄膜展现出优异的储能性能,最大放电能量密度为14.5J/cm;,是纯PMMA薄膜的1.42倍,充放电效率为87.4%。

关键词：磁控溅射界面势垒层储能性能聚甲基丙烯酸甲酯二氧化硅

(1-x)NaNbO-x(0.3BiNaTiO-0.7BiFeO)陶瓷的介电以及储能性能研究

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化学学报 2024年

作者：郭云凤王俊贤王泽星李家茂刘畅安徽工业大学材料科学与工程学院先进陶瓷研究中心

采用常规固相法制备(1-x)NaNbO3-x(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3)[NN-x(BNT-BF)](x ＝ 0.05， 0.1， 0.15， 0.2)陶瓷，并对其物相组成、微观形貌、介电与储能特性进行系统研究。结果表明，随着BNT-BF含量的增加，NN-x(BNT-BF)陶瓷逐渐由正交反铁电P相和R相共存(x ＜ 0.1)转变为单一反铁电R相(x ≥ 0.1)，弛豫行为增强。BNT-BF掺杂显著改善了陶瓷的致密度，且陶瓷的平均晶粒尺寸随着掺杂量增大先减小后增大。同时取代NaNbO3的A位和B位可破坏NN原有的铁电长程有序结构，优化陶瓷的储能性能。在410 kV/cm的击穿场强(Eb)下，NN-0.2(BNT-BF)陶瓷的有效储能密度(Wrec)和储能效率(η)分别为2.54 J/cm3和89.24%，且在20-120 ℃的温度范围内具有高的温度稳定性。同时，高功率密度(PD＝ 49 MW/cm3)、大电流密度(CD＝ 406 A/cm2)和超快放电速度(t0.9＝ 35 ns)使得NN-0.2(BNT-BF)陶瓷在脉冲功率系统中具有潜在的应用前景。

关键词：铌酸钠介电性能储能性能温度稳定性充放电性能

基于夹层结构各层协同优化的聚合物基复合介质储能性能

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高电压技术 2024年

作者：冯宇高强岳东朱博迟庆国陈庆国哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室哈尔滨理工大学电气与电子工程学院

近年来，聚合物基纳米复合介质因其具有可塑性强和功率密度大且稳定性好等优点而受到广泛关注。但由于其自身能量密度小且耐击穿能力有限，不能满足现代电气化时代高精密储能器件的要求。为了获得兼具高击穿强度和高储能密度的聚合物基... 详细信息

近年来，聚合物基纳米复合介质因其具有可塑性强和功率密度大且稳定性好等优点而受到广泛关注。但由于其自身能量密度小且耐击穿能力有限，不能满足现代电气化时代高精密储能器件的要求。为了获得兼具高击穿强度和高储能密度的聚合物基复合介质，本研究设计了一种新的夹层结构，将铁电聚合物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(PVTC)与线性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混作为外部绝缘层，将具有高介电常数的核壳结构BT@AO@PDA纳米纤维添加到PVTC中作为中间极化层，构筑的正向夹层结构(绝缘层-极化层-绝缘层)实现了击穿强度和介电常数的协同提升。其中，PMMA质量分数为25 wt%的PMMA/PVTC复合介质和3 wt% BT@AO@PDA/PVTC复合介质构成的正向夹层结构在562.7 MV/m电场下获得了17.25 J/cm3的高储能密度，并且具有优异的充放电循环稳定性和1.42 μs的超快放电速率。本工作为制备高储能柔性介质薄膜电容器提供了一种简便且有效的策略。

关键词：聚合物基复合介质共混核壳结构夹层结构储能性能