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西安交大科研人员在弛豫铁电陶瓷储能研究方面取得重要进展
发布时间  :  2019-11-08点击量  :  

作为电能存储方式的一种,陶瓷基介电储能电容器是诸多脉冲功率电子系统,包括电动汽车、配电装置、脉冲功率武器等领域的核心模块。目前,相关军事、民用领域对介电储能电容器提出了小型化、集成化及低功耗的需求,而开发具有更高储能特性的电介质材料则成为满足当前需求的关键。理想的储能电容器介质材料需要具有高饱和极化、低剩余极化以及高击穿电场。弛豫铁电体因其特有的低滞回、高耐压、耐疲劳等优势,被认为是一种极具潜力的介电储能电容器电介质材料。然而,综合性能优异的材料体系成为制约储能电容器进一步发展和应用的主要问题。

近日,西安交通大学电信学部电子学院魏晓勇团队在BaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3(BT-BMT)无铅弛豫铁电陶瓷体系中获得了高的储能性能。在陶瓷组分设计中,研究团队提出了“极化失配”理论,即在A位耦合铁电体与B位耦合铁电体的固溶体中,存在A位和B位极化均无法建立的中间组分。课题组采用轧膜工艺制备了高质量的BT-BMT薄层化陶瓷,其最佳储能密度和效率分别可达4.49J/cm3和93%,材料性能在30~170oC范围内表现出良好的稳定性,储能密度和效率变化率在5%以内,与目前报道的储能介质瓷料相比具有显著优势,展现出重要的工程应用价值。课题组制备了BT-BMT大尺寸高压电容器,在50kV电压下放电电流可达2.2kA。

BT-BMT介质储能材料具有温度稳定的高储能密度及储能效率

该研究成果以“Achieve ultrahigh energy storage performance in BaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3relaxor ferroelectric ceramics via nano-scale polarization mismatch and reconstruction”为题,在材料科学领域著名期刊Nano Energy(IF=15.548)上在线发表。西安交通大学电信学部电子陶瓷与器件教育部重点实验室博士后胡庆元为本文的第一作者,魏晓勇教授和靳立副教授为本文共同通讯作者,俄罗斯乌拉尔联邦大学V.Ya.Shur教授等科研人员参与了本研究工作。

该工作得到国家自然科学基金金砖国际合作项目、“973”项目、“111引智计划”(B14040)等项目的支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104264