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电介质储能薄膜材料的研究取得新进展
2020年06月01日   审核人:

     电介质储能电容器具有充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境和性能稳定的优点,在脉冲功率系统中有着广泛的应用前景。提高电介质储能电容器储能性能的关键是研发具有超高储能密度和储能效率的电介质材料。反铁电材料是一种典型的电介质材料,由于具有独特的场致相变效应使其成为固态储能领域的首选材料之一。为了提高反铁电材料的储能密度和储能效率,需要提高其场致相变的电场强度、最大极化强度和电场击穿强度。但是,在通常情况下,同时提高这几个参数仍然面临着巨大的挑战。例如,在反铁电PbZrO3钙钛矿薄膜中掺杂适量的Ca2+可以大幅度地提高其储能性能。反铁电(Pb0.88Ca0.12)ZrO3 (PCZ)钙钛矿薄膜的储能密度和储能效率分别为50.2 J/cm383.1%,与反铁电PbZrO3钙钛矿薄膜对比分别提升了261%44.8%Journal of the European Ceramic Society 40, 1285–1292 (2020))。但是,PCZ薄膜的电场击穿强度相对比较低(仅为2.8 MV/cm)。因此,如何增加PCZ薄膜的电场击穿强度,成为进一步提高其储能性能的关键。

材料科学与工程学院功能材料专业的王占杰教授和白宇讲师联合中科院金属研究所、中国科学技术大学、美国斯坦福大学的研究人员系统地研究了微结构对PCZ 薄膜储能性能的影响,发现由焦绿石纳米晶构成的PCZ薄膜具有超高的储能性能

在这项研究中,他们采用化学溶液沉积法制备了厚度为300 nm的非晶态的PCZ薄膜,然后用快速加热退火方法使其结晶化。结果表明,通过退火温度可以有效地调控薄膜的微结构。在625-650 °C退火,薄膜由钙钛矿相晶粒构成;在575-600 °C退火,薄膜中钙钛矿相晶粒与焦绿石相纳米晶两相共存;在550 °C退火薄膜由致密的焦绿石纳米晶(~10 nm)构成;在525 °C退火,则薄膜由分布在非晶基体上的焦绿石纳米晶构成(图1)。

   性能测试结果表明:钙钛矿PCZ薄膜在外加电场较小时(2500 kV/cm),表现出比较高的储能密度。但是,由焦绿石纳米晶构成的PCZ薄膜在大的外加电场下同时表现出了更高的储能密度和储能效率。其抗击穿强度高到5 MV/cm与此同时,储能密度和储能效率分别达到91.3 J/cm385.3%。与最近文献报告的有关反铁电薄膜的储能密度和效率对比,由焦绿石纳米晶构成的PCZ薄膜具有超高的储能密度(Wrec)和储能效率(η)(图2)。这项研究结果阐明了电介质薄膜的储能性能与其微结构之间的关系,为开发新型超高储能性能电介质薄膜材料提供了新思路,同时也为该材料在电介质储能器件上应用奠定了扎实的基础。

   最近,相关研究成果已经发表在国际著名学术杂志ACS Nano上(自然指数收录期刊,IF: 13.903)。论文题目为“Ultrahigh-Energy Storage Properties of (PbCa)ZrO3Antiferroelectric Thin Films via Constructing a Pyrochlore Nanocrystalline Structure”王占杰教授为通讯作者。论文连接:https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c00791


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