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基于P（VDF-HFP）纳米复合膜电介质电容器的结构设计、制作及储能特性研究

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基于P（VDF-HFP）纳米复合膜电介质电容器的结构设计、制作及储能...

作者：王浩河南大学

学位级别：硕士

近年来,随着全球能源需求的急剧增长,绿色低碳可再生能源的开发迫在眉睫,这同时也促进了储能技术的快速发展。能源存储是提高电能利用效率和稳定性不可或缺的手段,在先进的储能设备中,电介质电容器因其高功率密度和良好的可靠性而适用... 详细信息

近年来,随着全球能源需求的急剧增长,绿色低碳可再生能源的开发迫在眉睫,这同时也促进了储能技术的快速发展。能源存储是提高电能利用效率和稳定性不可或缺的手段,在先进的储能设备中,电介质电容器因其高功率密度和良好的可靠性而适用于高脉冲功率技术和混合动力汽车等许多领域。然而,与电池和超级电容器等其它储能器件相比,电介质电容器固有的低能量密度阻碍了它们进一步的应用,特别是在需要高电容的小型封装器件中。因此,为了满足器件小型化和集成化的需求,提高储能密度成为当前电介质电容器研究的热点之一。目前,以聚合物基电介质薄膜作为介质层的电容器由于击穿强度高和易于加工等优点引起了广泛的关注。然而,聚合物基电介质电容器受限于较小的介电常数而导致储能密度不尽如人意。本文通过合理的宏观结构设计,并在聚合物基体中引入低含量的无机纳米纤维制备有机-无机复合材料,获得具有高储能密度的电介质电容器。主要研究内容如下:(1)P(VDF-HFP)基夹层结构纳米复合材料的制备、结构及储能性能。本工作提出了一种新型设计的夹层结构纳米复合材料,其中包括将低含量的0.4BiFeO-0.6SrTiO(BFSTO)纳米纤维引入P(VDF-HFP)基体中作为极化层(B层)来提供高介电常数,并选择PMMA/P(VDF-HFP)全有机共混膜作为绝缘层(P层)以改善纳米复合材料的击穿场强(E)。优化后的夹层结构PBP纳米复合材料表现出显著增强的E(668.6 MV/m)和优异的放电能量密度(17.2 J/cm)。介电和开尔文探针力显微镜的测试结果证实了PBP纳米复合材料外部的P层具有较低的表面电荷密度,这可以显著地减少从电极/电介质界面注入的电荷,从而抑制纳米复合材料内部的漏电流。此外,有限元模拟和电容串联模型均表明,在PBP夹层结构纳米复合材料中电场的均匀分布有利于储能性能的提高。本工作不仅为深入理解三明治结构纳米复合材料的介电击穿机制提供了有益的指导,而且为开发具有高E和放电能量密度的聚合物基纳米复合材料提供了一种新的范例。(2)BaZrTiO(BZT)@SiO/P(VDF-HFP)纳米复合材料的制备、结构及储能性能。为了进一步改善极化强度,在P(VDF-HFP)基体中引入高介电常数的BZT纳米纤维,且在BZT纳米纤维表面包覆SiO壳层来缓解填料与基体之间的介电失配。最后,基于静电纺丝及热压工艺制备BZT@SiO/P(VDF-HFP)纳米复合材料。威布尔击穿分布显示纳米复合材料的击穿场强随着BZT@SiO纳米纤维的增加先增大后减小。3 wt%BZT@SiO/P(VDF-HFP)在452 MV/m的电场下实现了11.7 J/cm的放电能量密度,相较于纯P(VDF-HFP)提高了45%。填料含量优化之后,通过逐层静电纺丝及热压工艺将3wt%BZT@SiO纳米纤维在聚合物机体内部实现梯度分布(GD)。漏电流测试结果表明,3 wt%GD BZT@SiO/P(VDF-HFP)更有利于抑制来自于电极注入的电荷,从而提高纳米复合材料的击穿场强。在508 MV/m的电场下,通过填料梯度结构设计后的3 wt%GD BZT@SiO/P(VDF-HFP)纳米复合材料极化差值为7.33μC/cm,放电能量密度进一步提高到了15.4 J/cm,同时储能效率维持在69.7%。此外,3 wt%GD BZT@SiO/P(VDF-HFP)具有超快的充放电速率及良好的循环稳定性。本工作对于促进P(VDF-HFP)基高性能电介质材料向高储能密度方向发展具有重要意义。

关键词：电介质电容器纳米复合材料结构设计储能性能击穿场强

大孔间距PAA模板的制备及纳米柱阵列电介质电容器的构建

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大孔间距PAA模板的制备及纳米柱阵列电介质电容器的构建

作者：卢思彤南京理工大学

学位级别：硕士

多孔阳极氧化铝(Porous Anodic Alumina,PAA)模板被广泛应用于制备纳米功能材料。对于小孔间距PAA模板的制备,其工艺已经比较成熟。但大孔间距PAA模板的制备还存在着诸多问题,例如阳极氧化的电流密度较低,氧化膜生长速率慢,氧化条件苛刻... 详细信息

多孔阳极氧化铝(Porous Anodic Alumina,PAA)模板被广泛应用于制备纳米功能材料。对于小孔间距PAA模板的制备,其工艺已经比较成熟。但大孔间距PAA模板的制备还存在着诸多问题,例如阳极氧化的电流密度较低,氧化膜生长速率慢,氧化条件苛刻,反应温度控制要求严格等。本文旨在通过改变电解液的种类和组成、阳极氧化的电压、时间、温度等,以制备规整有序的大孔间距的PAA,并通过通孔、扩孔得到双通的大孔径的PAA模板。以此模板为基础,采用真空熔融压注法,向PAA模板中注入铝并形成铝纳米柱阵列。最后,对得到的铝纳米柱阵列进行阳极氧化,在其上形成一层致密的氧化铝电介质膜,从而构建电介质电容器。首先,在磷酸和自行合成的新型电解质EG-ADP的水溶液体系、乙二醇溶液体系、水和乙二醇的混合溶液体系中,进行阳极氧化的对比实验,确定最佳的电解液体系为EG-ADP的水和乙二醇溶液体系。在该电解液体系中进行阳极氧化时,在高压下电流密度非常大,可以接近300 mA cm,且可在室温(25℃)下正常进行,也无需对铝箔进行抛光,简化了大孔间距的PAA膜的制备工艺。其次,通过改变电压、水与乙二醇的配比、加入添加剂等方法,研究了在EG-ADP电解液体系中制备的PAA膜的规整性,发现加入1 wt%磷酸添加剂、混合溶剂水与乙二醇的配比为1:4的EG-ADP电解液体系,在250 V的阳极氧化电压下所制备的PAA膜的规整性较好。电压低于250 V时,随着电压升高规整性变好;电压高于250 V时,虽然电流密度随电压变大,但PAA膜规整性下降。此外,将PAA模板进行通孔与扩孔处理,得到孔径为400 nm的双通PAA模板。通过真空熔融压注法将铝压入PAA模板,通过调节加压时间,加压温度和压力,发现当580℃开始加压,压力为1.5 MPa,保压10 min,再升温到650℃,压力为2.5 MPa,保压30 min时,可以成功制备铝纳米柱阵列。最后,在铝纳米柱阵列上利用阳极氧化生成一层氧化铝电介质膜,构建电介质电容器。对比研究了平面型电介质电容器和铝纳米柱型电介质电容器的比电容和漏电流等性能。结果表明,铝纳米柱电介质电容器的比电容能达到平面型电介质电容器的20倍,漏电流比平面电介质电容器略大,但能量密度可以提升到5.56J cm。

关键词：大孔间距高生长速率铝纳米柱电介质电容器

Sr_(0.7)Bi_(0.2)TiO_(3)改性Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)基薄膜电储能特性的优化

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硅酸盐学报 2024年第4期52卷 1374-1383页

作者：王鑫郝华李东旭曹明贺尧中华甘小燕刘韩星武汉理工大学三亚科教创新园海南三亚572000 武汉理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程国际化示范学院(材料与微电子学院)材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

无铅(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)(BNT)基弛豫铁电薄膜以其高Curie温度和大极化在介质储能中受到广泛关注,然而较低的击穿电场限制了它们的应用。选择Sr_(0.7)Bi_(0.2)TiO_(3)(SBT)作为固溶组元,通过组分调控提高薄膜击穿强度,优化储能性... 详细信息

无铅(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)(BNT)基弛豫铁电薄膜以其高Curie温度和大极化在介质储能中受到广泛关注,然而较低的击穿电场限制了它们的应用。选择Sr_(0.7)Bi_(0.2)TiO_(3)(SBT)作为固溶组元,通过组分调控提高薄膜击穿强度,优化储能性能。结果表明:BNT–xSBT薄膜均为单一钙钛矿结构,没有明显的第二相。随SBT含量增加,晶胞参数先增大后降低,介电常数略微下降,介电损耗保持稳定,击穿强度先上升后降低。最终,在最优组分样品BNT–0.40SBT中获得了3622.25 kV/cm的高击穿强度和85.99 J/cm^(3)的高储能密度。这种优异的能量存储密度和出色的稳定性,表明样品BNT–0.40SBT是脉冲功率和电力电子应用电容器的有前途的候选者。

关键词：电介质电容器薄膜击穿强度储能性能

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电介质储能材料

硅酸盐学报 2024年第4期52卷 1171-1172页

作者：翟继卫同济大学材料科学与工程学院功能材料研究所上海201804

电介质电容器是一种通过电介质在外加电场作用下的极化以及正负电荷的分离来储存能量的储能系统。与燃料电池、锂离子电池、超级电容器等通过离子迁移或化学反应实现能量转换的化学储能系统相比,电介质电容器由于其储能过程不涉及离子... 详细信息

电介质电容器是一种通过电介质在外加电场作用下的极化以及正负电荷的分离来储存能量的储能系统。与燃料电池、锂离子电池、超级电容器等通过离子迁移或化学反应实现能量转换的化学储能系统相比,电介质电容器由于其储能过程不涉及离子迁移扩散和化学反应,充放电反应迅速,功率密度极高,在许多需要快速充放电和高功率密度的应用场景中具有突出优势。

关键词：电介质电容器能量存储

Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)异质结薄膜储能性能的影响

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沈阳工业大学学报 2024年第1期46卷 72-76页

作者：王占杰于海义邵岩王子权白宇沈阳工业大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110870

为了提高Pt/PbZrO_(3)/Pt电介质电容器的储能密度,通过热蒸镀和自然氧化方法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si基板上沉积了厚度为0~10 nm的Al_(2)O_(3)(AO)层,采用化学溶液沉积法制备PbZrO_(3)薄膜,研究了Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)(PZO/AO)异质结薄膜储能性能的影响。结果表明:随着AO层厚度的增加,PZO/AO异质结薄膜的击穿电场强度逐渐增大,极化电场电滞回线由反铁电特征转变为铁电特征。当PZO/AO异质结薄膜的AO层厚度为5 nm时,储能密度最大值为21.2 J/cm^(3)。

关键词：电介质电容器 PbZrO_(3)薄膜 Al_(2)O_(3)插层铁电反铁电储能性能热蒸镀化学溶液沉积法

(1-x)PbZrO_(3)-xBaTiO_(3)薄膜的制备及储能性能

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微纳电子技术 2023年第4期60卷 633-639页

作者：王朝霞王超焦晓飞李彦岗山西职业技术学院材料环境工程系太原030006 沈阳工业大学材料科学与工程学院沈阳110870

电介质电容器在脉冲功率领域具有广阔的应用前景,其储能密度和储能效率的提高是目前研究的热点。通过PbZrO_(3)(PZO)和BaTiO_(3)(BTO)两相固溶的方式,制备(1-x)PZO-xBTO(x为0、0.1、0.2、0.3和0.4)固溶体薄膜,旨在提高介电强度,从而改... 详细信息

电介质电容器在脉冲功率领域具有广阔的应用前景,其储能密度和储能效率的提高是目前研究的热点。通过PbZrO_(3)(PZO)和BaTiO_(3)(BTO)两相固溶的方式,制备(1-x)PZO-xBTO(x为0、0.1、0.2、0.3和0.4)固溶体薄膜,旨在提高介电强度,从而改善其储能密度和储能效率。结果表明:随着BTO含量增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,且薄膜由反铁电体逐渐转变为弛豫铁电体,导致其介电强度提高。当x=0.3时,(1-x)PZO-xBTO薄膜具有最大的可恢复储能密度,为11.62 J/cm^(3),较纯PZO薄膜提高了31.6%。当x=0.4时,薄膜储能效率达到62.3%,较纯PZO薄膜提高了62.7%。

关键词：弛豫铁电薄膜电介质电容器电滞回线储能性能介电强度

高储能密度低损耗介电高分子功能复合材料的研究进展

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绝缘材料 2016年第12期49卷 13-18,27页

作者：钟少龙党智敏清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084

本文归纳和总结了高储能密度低损耗介电高分子复合材料的研究进展,主要包括全有机聚合物、陶瓷/聚合物高介电复合材料、纳米结构-陶瓷/聚合物高介电三相复合材料和多层复合结构薄膜的研究情况,同时分析比较了各种改性方法的优缺点。

关键词：储能密度介质损耗电介质电容器高介电常数陶瓷/聚合物复合材料

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线性介质剪裁铁电材料的储能行为及机制研究

线性介质剪裁铁电材料的储能行为及机制研究

作者：李重阳杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在全球能耗危机与环境保护的主背景下,高性能的储能设备对实现清洁智能的现代电力系统至关重要。在目前主流的储能设备中,电介质电容器凭借其高的功率密度,超快的放电时间和长的使用寿命在先进脉冲电源系统应用中占据主导地位,但其相对... 详细信息

在全球能耗危机与环境保护的主背景下,高性能的储能设备对实现清洁智能的现代电力系统至关重要。在目前主流的储能设备中,电介质电容器凭借其高的功率密度,超快的放电时间和长的使用寿命在先进脉冲电源系统应用中占据主导地位,但其相对低的储能密度长期以来成为了限制先进设备集成化的一大障碍。因此研究人员投入了大量的精力去研发具有高储能密度的电介质材料,考虑环境保护需求,开发高性能的无铅陶瓷电容器引起了广泛的研究兴趣。目前报道的典型的电介质材料中线性介质(LD)与弛豫铁电体(RFE)以其高效的储能行为备受人们关注。钛酸钙(Ca Ti O简称CT)作为典型的线性电介质代表具有高的理论击穿场强和宽的带隙,不论是作为修饰端元还是作为主体的储能介质都具有值得深入探究的潜力。因此,本文以CT作为修饰单元和研究对象,探究了其作为修饰端元剪裁(NaBi)Ti O(BNT)基和(KBi)Ti O(BKT)基典型弛豫铁电陶瓷的储能行为和其作为主体时对其进行化学改性的研究。通过多尺度优化策略和构建纳米极化异质区域实现了储能性能的突破,促进了无铅陶瓷电容器的发展。CT修饰BNT基二元及三元弛豫铁电陶瓷储能行为研究:在BNT基陶瓷中引入CT,对其储能行为产生了显著的影响。二元陶瓷BNT-0.3CT在420 k V/cm实现了5.65 J/cm的高W和88.1%的高η。在多尺度优化策略下协同畴结构的调控成功的在三元弛豫铁电陶瓷(BNT-BAT)-0.4CT实现了性能上的突破,获得了超高的η≈7.8%和高的W≈5.81 J/cm,并同时具有优异的温度稳定性和优越的充放电性能(P≈6.2 MW/cm,t≈37.6 ns)。相场模拟计算揭示了小的晶粒尺寸与增强的E之间的关联,TEM与PFM测试证实了畴调控下高动态PNRs的形成。变温的Raman及PFM在物理演变的基础上为(BNT-BAT)-0.4CT陶瓷获得卓越的温度,频率和循环稳定性提供了有利支持。BNT基材料改性线性介质CT储能行为研究:在以CT为主介质进行改性的研究中,BNT基材料的引入有效的改善了其低的极化强度的劣势。二元类线性陶瓷CT-0.3BNT获得了最优的性能W≈5.87 J/cm,η≈7.7%。纳米极化异质区域的有效构建使得CT-0.2(BNT-BAT)新型弛豫铁电陶瓷获得了高效的储能性能:W高达6.39 J/cm并保持了高的η≈4.4%,在500k V/cm的高电场下获得了卓越的储能稳定性的同时展现了优越的充放电性能(t≈28.4 ns,P≈161.3 MW/cm),展现了作为优秀介质电容器候选材料的优越性。TEM与PFM揭示了设计的弛豫铁电材料具有高动态、多相共存和局部结构异质性的极小PNRs的纳米级极化异质区域。变温Raman,PFM和XRD探究了材料优越稳定性的物理起源。CT修饰BKT基二元及三元弛豫铁电陶瓷储能行为研究:线性介质CT对同为铋基陶瓷的BKT基陶瓷也展现了有效的储能调控作用。在二元弛豫铁电陶瓷BKT-0.5CT:500 k V/cm的高电场下实现了令人满意的储能性能W≈6.03 J/cm和η≈1.2%,并具有良好的温度稳定性,和优秀的频率与循环稳定性以及满意的充放电性能(P≈119.7MW/cm,t≈81.2ns),展现了良好的应用前景。在三元陶瓷(BKT-BT)-0.4CT:CT的引入有效的增强了陶瓷的弛豫特性,从而获得了一个良好的储能性能W≈4.95 J/cm,η≈85.6%。

关键词：电介质电容器电介质储能无铅铁电陶瓷多尺度优化纳米极化异质区域

AgNbO3基无铅反铁电陶瓷的储能特性及其机理研究

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AgNbO3基无铅反铁电陶瓷的储能特性及其机理研究

作者：韩凯广西大学

学位级别：硕士

随着高功率脉冲技术的飞速发展,小型化、集成化以及高的能量密度成为了电介质电容器未来的发展方向。Pb(Zr,Ti)O等铅基反铁电材料具有优异的储能特性,但是日益严峻的环境问题使得探索一种环保的无铅反铁电储能材料成为材料科学领域的研... 详细信息

随着高功率脉冲技术的飞速发展,小型化、集成化以及高的能量密度成为了电介质电容器未来的发展方向。Pb(Zr,Ti)O等铅基反铁电材料具有优异的储能特性,但是日益严峻的环境问题使得探索一种环保的无铅反铁电储能材料成为材料科学领域的研究热点。铌酸银(AgNbO,简称AN)近来被认为是最有潜力的反铁电储能材料,其稳定的反铁电特性和高居里温度(T=353 C)让其成为一种储能密度高(～2 J/cm)和温度稳定性好的储能材料。如何进一步提升AN基陶瓷的储能密度和效率成为目前研究的热点和难点。本文从电介质电容器实用化的要求出发,围绕AgNbO基反铁电陶瓷的储能性能、温度稳定性以及机理等方面开展了系统的研究。提出利用“异价A位工程”降低铌酸银钙钛矿结构的容忍因子并提高其反铁电稳定性的新思路。分别探索了二价碱土元素Ba、Sr以及Ca取代AN的A位Ag后对其晶体结构和储能性能的影响。结构分析以及介电和铁电测试发现掺杂后的AN具有更稳定的反铁电相。稳定的反铁电相和高的击穿场强(≥190 k V/cm)使得改性后的AN陶瓷最优储能密度从纯的AN的1.8 J/cm分别提升到了2.3 J/cm、2.9 J/cm和3.55 J/cm。在碱土元素掺杂后电滞回线更加细化,使得该类陶瓷的储能效率大幅提升。而且,碱土元素掺杂的AN陶瓷的储能性能具有优异的温度稳定性。因此,“异价A位工程”是一种可以有效提升AN储能性能的新思路。(见第三章)为了进一步提高AN基陶瓷的储能性能,成功制备了三价稀土元素La和Sm改性的AgNbO陶瓷。掺杂后其反铁电相更加稳定,击穿场强提高到240 k V/cm以上。尤其是Sm改性后AN陶瓷不仅实现了5.2 J/cm超高的储能密度和69.2%的储能效率,为目前所报道最高值。而且其储能性能具有优异的温度稳定性。此外,该类材料还拥有超高的放电能量密度(4.2 J/cm)和超快的放电速率(～20μs)。以上结果表明镧系元素掺杂的AN陶瓷是一类极具潜力的无铅介电电容器材料(见第四章)为了探求反铁电稳定性增强的内在机理,以A/B位共掺杂的AgSmNbTaO为例进行了深入研究。通过XRD精修等手段获取了Ag1和B位离子位移和[Nb O]氧八面体倾斜等晶体信息,揭示了AgNbO反铁电稳定性与晶体结构之间的更内在的关联。(见第五章)

关键词：无铅反铁电陶瓷铌酸银钙钛矿结构容忍因子离子位移电介质电容器