簡介:,先進(jìn)介電儲(chǔ)能材料ADVANCEDDIELECTRICENERGYSTORAGEMATERIALS,陳國華桂林電子科技大學(xué)20150704,材料科學(xué)前沿專題,背景(全球環(huán)境污染、氣候變化),能源問題,呼喚清潔能源,清潔能源代替化石燃料,鈉離子電池,豐田氫燃料電池,太陽能電池充電,鋰離子電池,薄膜脈沖儲(chǔ)能電容,高儲(chǔ)能密度介電電容器應(yīng)用,高能量密度介電電容器可以替代電解電容器和聚合物基電容器。最為重要的例子是應(yīng)用到混合電動(dòng)汽車、脈沖激光武器、槍炮、船艦。在整流器或逆變器有重要應(yīng)用高能量小型化長壽命,可植入的醫(yī)療裝置,(通過電擊使心臟恢復(fù)正常跳動(dòng)的)除顫器,激素,按照能量儲(chǔ)存時(shí)間長短,儲(chǔ)存電能的裝置一般分為短期和長期兩類。電池儲(chǔ)能特點(diǎn)1長期2高能量密度10300WH/KG,低功率密度≤500W/KG(電荷輸運(yùn)慢引起)3主要用于長期穩(wěn)定的能源供應(yīng)。,電容器儲(chǔ)能特點(diǎn)1短期2高功率密度101~106W/KG電化學(xué)超級(jí)電容器;108W/KG介電電容器)小的能量密度≤30WH/KG3主要用于脈沖電壓或電流的供應(yīng)。,傳統(tǒng)的介電電容器主要是由介電聚合物和介電陶瓷制造而成。一般能量密度為00101WH/KG(<2J/CM3)電化學(xué)超級(jí)電容器①具有適中的能量密度,但功率密度仍無法滿足超高功率密度的電子器件或系統(tǒng),如電子槍、定向能量武器、激勵(lì)器等。②常常具有復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu),非常小的操作電壓(30V)、高的漏電流(低的能量效率)、有限的循環(huán)壽命(105)。這些缺點(diǎn)限制了在先進(jìn)脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用。,,如果介電電容器的能量密度能提高到電化學(xué)超級(jí)電容器的水平,將會(huì)大大擴(kuò)展在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用。并能使電子、電器系統(tǒng)微型化、輕量化和集成化。,介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能原理,介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能原理,介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能密度(J)測試方法一靜態(tài)法,場效應(yīng)管,介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能密度(J)測試方法二動(dòng)態(tài)法,JRECO(綠色,JSTORE綠紅面積),電容器的儲(chǔ)能效率(Η),ENERGYSTORAGEEFFICIENCY,線性電介質(zhì),具有高儲(chǔ)能密度的條件,①HIGHELECTRICBREAKDOWNFIELD高介電擊穿強(qiáng)度②LARGESATURATEDPOLARIZATION大的飽和極化③SMALLREMNANTPOLARIZATION小的剩余極化,典型鐵電體,反鐵電體,弛豫鐵電體,順電體(線性電介質(zhì)),RELAXORFERROELECTRICS(弛豫鐵電體)ANDANTIFERROELECTRICS(反鐵電體)AREMORELIKELYTOBEUSEDFORHIGHENERGYSTORAGEBECAUSEOFTHEIRLARGERSATURATEDPOLARIZATION,SMALLERREMNANTPOLARIZATIONANDMODERATEBREAKDOWNFIELDWITHDEVELOPMENTOFNEWMANUFACTURINGPROCESSESOFMATERIALS,ANOTHERTWOKINDSOFMATERIALS,GLASSCERAMIC(微晶玻璃或玻璃陶瓷)ANDPOLYMERBASEDFERROELECTRICS(聚合物基鐵電體),AREALSOBEFOUNDTOHAVETHEPOTENTIALFORAPPLICATIONINTHISAREA,WHICHCOMBINEWITHTHEHIGHERBREAKDOWNFIELDOFLINEARDIELECTRICANDLARGERPOLARIZATIONOFFERROELECTRICS,理想的具有高儲(chǔ)能密度的材料體系,一、反鐵電材料體系中的能量儲(chǔ)存,1961年,典型的反鐵電陶瓷材料為純PBZRO3J<1J/CM3,E<60KV/CM1971年65UMTHICKPBZRO3SIO2BI2O3GLASS體系,J21J/CM32013年,XHAOETAL,MATERRESBULL48,84201330MTHICKPB097LA002ZR097TI003)O3ANTIFERROELECTRICFILMSADDEDWITHPBOB2O3SIO2ZNOGLASS①添加3WT玻璃厚膜樣品JRECO31J/CM3,E581KV/CM②未摻雜玻璃的厚膜樣品JRECO14J/CM3,二、聚合物(聚偏氟乙烯)基復(fù)合材料體系中的能量儲(chǔ)存,三、微晶玻璃(玻璃陶瓷)材料體系中的能量儲(chǔ)存,1,微晶玻璃的析晶機(jī)理,2,3,OURWORKS(Ⅰ),OURWORKS(Ⅱ),THETHEORETICALENERGYSTORAGEDENSITIESOFG1,G2,G3,G4,G5ANDG6HEATEDAT800OCFOR3HARE488,527,571,309,227,AND193J/CM3,RESPECTIVELY,THEACTUALENERGYDENSITIESCALCULATEDFROMP–EHYSTERESISLOOPSFORG1,G2,G3,G4,G5ANDG6ARE078,092,101,051,036,AND029J/CM3,OURWORKS(Ⅲ),COMPOSITIONOFSRO–BAO–NB2O5–B2O3–CEO2SYSTEMGLASSES,ONLYONECRYSTALLINEPHASESR05BA05NB2O6FORCEO2FROM05TO2MOL,SECONDARYPHASESRNB2O6,STRUCTURALCHARACTERIZATIONXRD,850℃/3H,,STRUCTURALCHARACTERIZATIONXRD,MICROSTRUCTURALANALYSISSEM,850℃/3H,0MOL?O2,05MOL?O2,1MOL?O2,15MOL?O2,2MOL?O2,DIELECTRICPROPERTIES,,DIELECTRICBREAKDOWNSTRENGTHDBS,,,,,WEIBULLPLOTS,850℃/3H,850℃/3H,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,DISCHARGEDENERGYDENSITYJDSABDUNRELEASEDENERGYDENSITYJUSOBDCCHARGEDENERGYDENSITYJCSAOCD,,,,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,,,,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,CHARGEDENERGYSTORAGEDENSITYJC,CEO205MOLJCMAX274J/CM3,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,,,DISCHARGEDENERGYSTORAGEDENSITYJD,CEO205MOLJDMAX195J/CM3,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,,UNRELEASEDENERGYSTORAGEDENSITYJUJCJD,CEO205MOLJUMAX078J/CM3,ENERGYSTORAGEPROPERTIES,ENERGYEFFICIENCYΗJD/JC100,ALLSAMPLESΗ≥68,THANKYOUFORYOURATTENTION,
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