材料科学前沿-先进介电储能材料(陈国华)

1、先进介电储能材料Advanced dielectric energy-storage materials材料科学前沿专题材料科学前沿专题背景（全球环境污染、气候变化）呼唤清洁能源清洁能源代替化石燃料钠离子电池丰田氢燃料电池太阳能电池充电锂离子电池薄膜脉冲储能电容高储能密度介电电容器应用高能量密度介电电容器可以替代电解电容器和聚合物基电容器。最为重要的例子是应用到混混合电动汽车、脉冲激光合电动汽车、脉冲激光武器、枪炮、船舰武器、枪炮、船舰。在整流器或逆变器有重要应用： 高能量 小型化 长寿命可植入可植入的医疗的医疗装置装置（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器

2、激素激素按照能量储存时间长短，储存电能的装置一般分为短期和长按照能量储存时间长短，储存电能的装置一般分为短期和长期两类。期两类。电池储能特点：1. 长期2. 高能量密度 (10-300W.h/kg), 低功率密度( 500 W/kg) （电荷输运慢引起）3. 主要用于长期稳定的能源供应。电容器储能特点：1. 短期2. 高功率密度 (101 106 W/kg：电化学超级电容器； 108 W/kg：介电电容器）;小的能量密度( 30 W.h/kg)3. 主要用于脉冲电压或电流的供应。传统的介电电容器：传统的介电电容器：主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而成。一般能量

3、密度为成。一般能量密度为0.01-0.1W.h/kg（2J/cm3）电化学超级电容器：电化学超级电容器：具有适中的能量密度，但功率密度仍无法满足超高功率密度的电子器件或系统，如电子枪、定向能量武器、激励器等。常常具有复杂的物理结构，非常小的操作电压（3.0V）、高的漏电流（低的能量效率）、有限的循环寿命（105）。这些缺点限制了在先进脉冲功率系统中的应用。如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级电容器的水平，将如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级电容器的水平，将会大大扩展在脉冲功率系统中的应用。并能使电子、电器系统微型会大大扩展在脉冲功率系统中的应用。并能使电子、电器系统微型化、轻量化

4、和集成化。化、轻量化和集成化。介质电容器的储能原理介质电容器的储能原理介质电容器的储能密度（J J）测试方法一：静态法场效应管介质电容器的储能密度（J J）测试方法二：动态法 Jreco（绿色)Jstore(绿+红面积）电容器的储能效率（）Energy-storage efficiency线性电介质具有高储能密度的条件 High electric breakdown field (高介电击穿强度高介电击穿强度) Large saturated polarization (大的饱和极化大的饱和极化) Small remnant polarization (小的剩小的剩 余极化余极化)典型铁电体典

5、型铁电体反铁电体反铁电体弛豫铁电体弛豫铁电体 顺电体顺电体（线性电介质）（线性电介质）uRelaxor ferroelectrics （弛豫铁电体）（弛豫铁电体）and antiferroelectrics （反铁电体反铁电体）are more likely to be used for high energy storage because of their larger saturated polarization, smaller remnant polarization and moderate breakdown field.uWith development of new manu

6、facturing processes of materials，another two kinds of materials, glass-ceramic（微（微晶玻璃或玻璃陶瓷）晶玻璃或玻璃陶瓷） and polymer-based ferroelectrics（聚（聚合物基铁电体）合物基铁电体）, are also be found to have the potential for application in this area, which combine with the higher breakdown field of linear dielectric and larger

7、 polarization of ferroelectrics. 理想的具有高储能密度的材料体系一、反铁电材料体系中的能量储存1961年年，典型的反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3：J1 J/cm3， E 60 kV/cm 1971年年： 65 um-thick PbZrO3+ SiO2-Bi2O3 glass 体系， J=2.1 J/cm32013年年， X. Hao et al, Mater. Res. Bull. 48, 84 (2013).：30 m-thick Pb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3 antiferroelectric films added with

8、PbOB2O3-SiO2-ZnO glass添加3wt%玻璃厚膜样品 Jreco=3.1 J/cm3 ， E=581 kV/cm 未掺杂玻璃的厚膜样品 Jreco=1.4 J/cm3 二、聚合物（聚偏氟乙烯）聚偏氟乙烯） 基复合材料体系中的能量储存三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存1.微晶玻璃的析晶机理2.3.The theoretical energy storage densitiesof G1,G2,G3,G4,G5 and G6 heated at800 oC for 3h are 4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1 .93 J/cm3, respe

9、ctively.The actual energy densities calculated from PE hysteresis loops for G1,G2, G3,G4,G5 and G6 are 0.78, 0.92,1.01,0.51,0.36, and 0.29 J/cm3 Composition of SrOBaONb2O5B2O3CeO2 system glassesSymbolSrOBaONb2O5B2O3CeO2C014.417.632360C114.417.632360.5C214.417.632361C314.417.632361.5C414.417.632362On

10、ly one crystalline phase(Sr0.5Ba0.5Nb2O6) for CeO2 from 0.5 to 2mol%Secondary phase SrNb2O6Structural characterization(XRD)850/3hStructural characterization(XRD)MicrostructuralMicrostructural analysis(SEM) analysis(SEM) 850/3h0mol%CeO2 0.5 mol%CeO2 1mol%CeO2 1.5 mol%CeO2 2 mol%CeO2 Dielectric Dielec

11、tric propertiesproperties0.00.51.01.52.002550751001251501750.000.010.020.030.040.050.06tan Dielectric constantCeO2 addition( mol%) 700 C 750 C 800 C 850 CD Dielectric ielectric breakdown breakdown strength (DBS)strength (DBS)0.00.51.01.52.0800900100011001200BDS(kV/cm)Addition of CeO2(mol%)(b)6.76.86

12、.97.07.17.2-2-1011mol% kV/cm 1.5mol% kV/cm 2mol% kV/cm ln(-ln(1-i/(n+1)ln(E)0mol% = kV/cm 0.5mol% kV/cm (a)Weibull plots 850 /3h850 /3 hEnergy storage propertiesEnergy storage propertiesDischarged energy density : Jd = SABDUnreleased energy density: Ju = SOBDCCharged energy density : Jc = SAOCDJuJdA

13、EBOCDPEnergy storage propertiesEnergy storage properties-600-400-2000200400600-8-6-4-202468Polarzation( C/cm2)Electric field (kV/cm) 0mol% 0.5mol% 1mol% 1.5 mol% 2 mol% 020040060002468Polarzation( C/cm2)Electric field (kV/cm) 0mol% 0.5mol%1mol%1.5mol%2 mol% Energy storage propertiesEnergy storage pr

14、operties1002003004005006000123Electric field(kV/cm)Charged energy density(J/cm3) 0 mol% 0.5mol% 1 mol% 1.5mol% 2 mol% Charged energy storage density (Jc) CeO2 =0.5mol%Jcmax=2.74J/cm3 Energy storage propertiesEnergy storage properties1002003004005006000.00.51.01.52.0Disharged energy density(J/cm3)Ele

15、ctric field(kV/cm) 0 mol% 0.5mol% 1 mol% 1.5mol% 2 mol% Discharged energy storage density (Jd)CeO2 =0.5mol %Jd max=1.95J/cm3 Energy storage propertiesEnergy storage properties1002003004005006000.00.20.40.60.8Unreleased energy density (J/cm3)Electric field(kV/cm) 0mol% 0.5mol% 1mol% 1.5mol% 2mol%Unreleased energy storage density :Ju=Jc- -JdCeO2 =0.5mol %Ju max=0.