材料科學前沿-先進介電儲能材料陳國華

1、,先進介電儲能材料Advanced dielectric energy-storage materials,陳國華桂林電子科技大學2015.07.04,材料科學前沿專題,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,薄膜脈沖儲能電容,高儲能密度介電電容器應用,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用到

2、混合電動汽車、脈沖激光武器、槍炮、船艦。在整流器或逆變器有重要應用： 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正常跳動的）除顫器,激素,按照能量儲存時間長短，儲存電能的裝置一般分為短期和長期兩類。電池儲能特點：1. 長期2. 高能量密度 (10-300W.h/kg), 低功率密度(≤ 500 W/kg) （電荷輸運慢引起）3. 主要用于長期穩(wěn)定的能源供應。,電容器儲能特點：1.

3、 短期2. 高功率密度 (101 ～ 106 W/kg：電化學超級電容器； 108 W/kg：介電電容器）;小的能量密度(≤ 30 W.h/kg)3. 主要用于脈沖電壓或電流的供應。,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0.01-0.1W.h/kg（＜2J/cm3）電化學超級電容器：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

4、勵器等。②常常具有復雜的物理結構，非常小的操作電壓（3.0V）、高的漏電流（低的能量效率）、有限的循環(huán)壽命（105）。這些缺點限制了在先進脈沖功率系統(tǒng)中的應用。,,如果介電電容器的能量密度能提高到電化學超級電容器的水平，將會大大擴展在脈沖功率系統(tǒng)中的應用。并能使電子、電器系統(tǒng)微型化、輕量化和集成化。,介質電容器的儲能原理,介質電容器的儲能原理,介質電容器的儲能密度（J）測試方法一：靜態(tài)法,場效應管,介質電容器的儲能密度（J）測試方法二

5、：動態(tài)法,Jreco（綠色),Jstore(綠+紅面積）,電容器的儲能效率（η）,Energy-storage efficiency,線性電介質,具有高儲能密度的條件,① High electric breakdown field (高介電擊穿強度) ② Large saturated polarization (大的飽和極化)③ Small remnant polarization (小的剩 余極化),典型鐵電體,反鐵電體,弛豫鐵

6、電體,順電體（線性電介質）,Relaxor ferroelectrics （弛豫鐵電體）and antiferroelectrics （反鐵電體）are more likely to be used for high energy storage because of their larger saturated polarization, smaller remnant polarization and moderate break

7、down field.With development of new manufacturing processes of materials，another two kinds of materials, glass-ceramic（微晶玻璃或玻璃陶瓷） and polymer-based ferroelectrics（聚合物基鐵電體）, are also be found to have the potential for app

8、lication in this area, which combine with the higher breakdown field of linear dielectric and larger polarization of ferroelectrics.,理想的具有高儲能密度的材料體系,一、反鐵電材料體系中的能量儲存,1961年，典型的反鐵電陶瓷材料為純PbZrO3：J＜1 J/cm3， E ＜ 60 kV/cm 1971

9、年： 65 um-thick PbZrO3+ SiO2-Bi2O3 glass 體系， J=2.1 J/cm32013年， X. Hao et al, Mater. Res. Bull. 48, 84 (2013).：30 m-thick Pb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3 antiferroelectric films added with PbOB2O3-SiO2-ZnO glass①添加3wt%玻璃厚膜

10、樣品 Jreco=3.1 J/cm3 ， E=581 kV/cm② 未摻雜玻璃的厚膜樣品 Jreco=1.4 J/cm3,二、聚合物（聚偏氟乙烯） 基復合材料體系中的能量儲存,三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料體系中的能量儲存,1.,微晶玻璃的析晶機理,2.,3.,Our works（Ⅰ）,Our works（Ⅱ）,The theoretical energy storage densitiesof G1,G2,G3,G4

11、,G5 and G6 heated at800 oC for 3h are 4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1 .93 J/cm3, respectively.,The actual energy densities calculated from P–E hysteresis loops for G1,G2, G3,G4,G5 and G6 are 0.78, 0.92,1.01,0.51,0.36, a

12、nd 0.29 J/cm3,Our works（Ⅲ）,Composition of SrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2 system glasses,Only one crystalline phase(Sr0.5Ba0.5Nb2O6) for CeO2 from 0.5 to 2mol%,Secondary phase SrNb2O6,Structural characterization(XRD),850℃/3h,,S

13、tructural characterization(XRD),Microstructural analysis(SEM),850℃/3h,0mol%CeO2,0.5 mol%CeO2,1mol%CeO2,1.5 mol%CeO2,2 mol%CeO2,Dielectric properties,,Dielectric breakdown strength (DBS),,,,,Weibull plots,850℃ /3h,850℃ /3

14、 h,Energy storage properties,Discharged energy density : Jd = SABDUnreleased energy density: Ju = SOBDCCharged energy density : Jc = SAOCD,,,,Energy storage properties,,,,Energy storage properties,Charged energy stora

15、ge density (Jc),CeO2 =0.5mol%Jcmax=2.74J/cm3,Energy storage properties,,,Discharged energy storage density (Jd),CeO2 =0.5mol %Jd max=1.95J/cm3,Energy storage properties,,Unreleased energy storage density :Ju=Jc-Jd,CeO2