材料科学前沿-先进介电储能材料(陈国华)课课件

先进介电储能材料Advanceddielectricenergy-storagematerials陈国华桂林电子科技大学2015.07.04材料科学前沿专题1.先进介电储能材料陈国华材料科学前沿专题1.背景（全球环境污染、气候变化）能源问题????2.背景（全球环境污染、气候变化）能源问题????2.呼唤清洁能源3.呼唤清洁能源3.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4.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高储能密度介电电容器应用5.高储能密度介电电容器应用5.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合电动汽车、脉冲激光武器、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6.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。最为可植入的医疗装置（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器激素7.可植入的医疗装置（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器激素7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。电池储能特点：1.长期2.高能量密度(10-300W.h/kg),低功率密度(≤500W/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

～106W/kg：电化学超级电容器；

108W/kg：介电电容器）;小的能量密度(≤30W.h/kg)3.主要用于脉冲电压或电流的供应。8.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。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成。一般能量密度为0.01-0.1W.h/kg（＜2J/cm3）电化学超级电容器：①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。②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、轻量化和集成化。9.传统的介电电容器：如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级介质电容器的储能原理10.介质电容器的储能原理10.介质电容器的储能原理11.介质电容器的储能原理11.介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法场效应管12.介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法场效应管12.介质电容器的储能密度（J）测试方法二：动态法

Jreco（绿色)Jstore(绿+红面积）13.介质电容器的储能密度（J）测试方法二：动态法Jreco（绿电容器的储能效率（η）Energy-storageefficiency线性电介质14.电容器的储能效率（η）Energy-storageeffi具有高储能密度的条件①

Highelectricbreakdownfield(高介电击穿强度)②Largesaturatedpolarization(大的饱和极化)③Smallremnantpolarization(小的剩余极化)典型铁电体反铁电体弛豫铁电体顺电体（线性电介质）15.具有高储能密度的条件①HighelectricbreaRelaxorferroelectrics（弛豫铁电体）andantiferroelectrics

（反铁电体）aremorelikelytobeusedforhighenergystoragebecauseoftheirlargersaturatedpolarization,smallerremnantpolarizationandmoderatebreakdownfield.Withdevelopmentofnewmanufacturingprocessesofmaterials，anothertwokindsofmaterials,glass-ceramic（微晶玻璃或玻璃陶瓷）

andpolymer-basedferroelectrics（聚合物基铁电体）,arealsobefoundtohavethepotentialforapplicationinthisarea,whichcombinewiththehigherbreakdownfieldoflineardielectricandlargerpolarizationofferroelectrics.理想的具有高储能密度的材料体系16.Relaxorferroelectrics（弛豫铁电体）17.17.一、反铁电材料体系中的能量储存1961年，典型的反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3：J＜1J/cm3，E＜60kV/cm1971年：65um-thickPbZrO3+SiO2-Bi2O3glass体系，J=2.1J/cm32013年，X.Hao

etal,Mater.Res.Bull.48,84(2013).：30m-thickPb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3antiferroelectricfilmsaddedwithPbOB2O3-SiO2-ZnOglass①添加3wt%玻璃厚膜样品

Jreco=3.1J/cm3

，E=581kV/cm②未掺杂玻璃的厚膜样品Jreco=1.4J/cm3

18.一、反铁电材料体系中的能量储存1961年，典型的反铁电陶瓷材二、聚合物（聚偏氟乙烯）基复合材料体系中的能量储存19.二、聚合物（聚偏氟乙烯）基复合材料体系中的能量储存19.三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存1.20.三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存1.20.21.21.22.22.23.23.微晶玻璃的析晶机理24.微晶玻璃的析晶机理24.2.25.2.25.26.26.27.27.3.Ourworks（Ⅰ）28.3.Ourworks（Ⅰ）28.29.29.30.30.31.31.32.32.33.33.Ourworks（Ⅱ）34.Ourworks（Ⅱ）34.35.35.36.36.ThetheoreticalenergystoragedensitiesofG1,G2,G3,G4,G5andG6heatedat800oCfor3hare4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1.93J/cm3,respectively.TheactualenergydensitiescalculatedfromP–EhysteresisloopsforG1,G2,G3,G4,G5andG6are0.78,0.92,1.01,0.51,0.36,and0.29J/cm3

37.ThetheoreticalenergystorageOurworks（Ⅲ）CompositionofSrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2systemglassesSymbolSrOBaONb2O5B2O3CeO2C014.417.632360C114.417.632360.5C214.417.632361C314.417.632361.5C414.417.63236238.Ourworks（Ⅲ）CompositionofSrOOnlyonecrystallinephase(Sr0.5Ba0.5Nb2O6)forCeO2from0.5to2mol%SecondaryphaseSrNb2O6Structuralcharacterization(XRD)850℃/3h39.Onlyonecrystallinephase(Sr0Structuralcharacterization(XRD)40.Structuralcharacterization(XRMicrostructuralanalysis(SEM)850℃/3h0mol%CeO2

0.5mol%CeO2

1mol%CeO2

1.5mol%CeO2

2mol%CeO2

41.Microstructuralanalysis(SEM)8Dielectricproperties42.Dielectricproperties42.Dielectricbreakdownstrength(DBS)Weibullplots850℃/3h850℃/3h43.DielectricbreakdownstrengthEnergystoragepropertiesDischargedenergydensity:Jd=SABDUnreleasedenergydensity:Ju=SOBDCChargedenergydensity:Jc=SAOCD

44.EnergystoragepropertiesDischEnergystorageproperties45.Energystorageproperties45.EnergystoragepropertiesChargedenergystoragedensity(Jc)

CeO2=0.5mol%Jcmax=2.74J/cm3

46.EnergystoragepropertiesChargEnergystoragepropertiesDischargedenergystoragedensity(Jd)CeO2=0.5mol%Jdmax=1.95J/cm3

47.EnergystoragepropertiesDischEnergystoragepropertiesUnreleasedenergystoragedensity:Ju=Jc-JdCeO2=0.5mol%Jumax=0.78J/cm3

48.EnergystoragepropertiesUnrelEnergystoragepropertiesEnergyefficiency:η=Jd/Jc×100%Allsamples:η

≥68%49.EnergystoragepropertiesEnerg

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foryourattention

50.Thankyou50.先进介电储能材料Advanceddielectricenergy-storagematerials陈国华桂林电子科技大学2015.07.04材料科学前沿专题51.先进介电储能材料陈国华材料科学前沿专题1.背景（全球环境污染、气候变化）能源问题????52.背景（全球环境污染、气候变化）能源问题????2.呼唤清洁能源53.呼唤清洁能源3.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54.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高储能密度介电电容器应用55.高储能密度介电电容器应用5.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合电动汽车、脉冲激光武器、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56.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。最为可植入的医疗装置（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器激素57.可植入的医疗装置（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器激素7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。电池储能特点：1.长期2.高能量密度(10-300W.h/kg),低功率密度(≤500W/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

～106W/kg：电化学超级电容器；

108W/kg：介电电容器）;小的能量密度(≤30W.h/kg)3.主要用于脉冲电压或电流的供应。58.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。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成。一般能量密度为0.01-0.1W.h/kg（＜2J/cm3）电化学超级电容器：①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。②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、轻量化和集成化。59.传统的介电电容器：如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级介质电容器的储能原理60.介质电容器的储能原理10.介质电容器的储能原理61.介质电容器的储能原理11.介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法场效应管62.介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法场效应管12.介质电容器的储能密度（J）测试方法二：动态法

Jreco（绿色)Jstore(绿+红面积）63.介质电容器的储能密度（J）测试方法二：动态法Jreco（绿电容器的储能效率（η）Energy-storageefficiency线性电介质64.电容器的储能效率（η）Energy-storageeffi具有高储能密度的条件①

Highelectricbreakdownfield(高介电击穿强度)②Largesaturatedpolarization(大的饱和极化)③Smallremnantpolarization(小的剩余极化)典型铁电体反铁电体弛豫铁电体顺电体（线性电介质）65.具有高储能密度的条件①HighelectricbreaRelaxorferroelectrics（弛豫铁电体）andantiferroelectrics

（反铁电体）aremorelikelytobeusedforhighenergystoragebecauseoftheirlargersaturatedpolarization,smallerremnantpolarizationandmoderatebreakdownfield.Withdevelopmentofnewmanufacturingprocessesofmaterials，anothertwokindsofmaterials,glass-ceramic（微晶玻璃或玻璃陶瓷）

andpolymer-basedferroelectrics（聚合物基铁电体）,arealsobefoundtohavethepotentialforapplicationinthisarea,whichcombinewiththehigherbreakdownfieldoflineardielectricandlargerpolarizationofferroelectrics.理想的具有高储能密度的材料体系66.Relaxorferroelectrics（弛豫铁电体）67.17.一、反铁电材料体系中的能量储存1961年，典型的反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3：J＜1J/cm3，E＜60kV/cm1971年：65um-thickPbZrO3+SiO2-Bi2O3glass体系，J=2.1J/cm32013年，X.Hao

etal,Mater.Res.Bull.48,84(2013).：30m-thickPb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3antiferroelectricfilmsaddedwithPbOB2O3-SiO2-ZnOglass①添加3wt%玻璃厚膜样品

Jreco=3.1J/cm3

，E=581kV/cm②未掺杂玻璃的厚膜样品Jreco=1.4J/cm3

68.一、反铁电材料体系中的能量储存1961年，典型的反铁电陶瓷材二、聚合物（聚偏氟乙烯）基复合材料体系中的能量储存69.二、聚合物（聚偏氟乙烯）基复合材料体系中的能量储存19.三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存1.70.三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存1.20.71.21.72.22.73.23.微晶玻璃的析晶机理74.微晶玻璃的析晶机理24.2.75.2.25.76.26.77.27.3.Ourworks（Ⅰ）78.3.Ourworks（Ⅰ）28.79.29.80.30.81.31.82.32.83.33.Ourworks（Ⅱ）84.Ourworks（Ⅱ）34.85.35.86.36.ThetheoreticalenergystoragedensitiesofG1,G2,G3,G4,G5andG6heatedat800oCfor3hare4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1.93J/cm3,respectively.TheactualenergydensitiescalculatedfromP–EhysteresisloopsforG1,G2,G3,G4,G5andG6are0.78,0.92,1.01,0.51,0.36,and0.29J/cm3

87.ThetheoreticalenergystorageOurworks（Ⅲ）CompositionofSrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2systemglassesSymbolSrOBaONb2O5B2O3CeO2C014.417.632360C114.417.632360.5C214.417.632361C314.417.632361.5C414.417.63236288.Ourworks（Ⅲ）CompositionofSrOOnlyonecrystallinephase(Sr0.5Ba0.5Nb2O6)forCeO2from0.5to2mol%SecondaryphaseSrNb2O6Structuralcharacterization(XRD)850℃/3h89.Onlyonecrystallinephase(Sr0Structuralcharacterization(XRD)90.Structuralcharacterization(XRMicrostructuralanalysis(SEM)850℃/3h0mol%CeO2

0.5mol%CeO2

1mol%CeO2

1.5mol%CeO2

2mol%CeO2

91.Microstructuralanalysis(SEM)8Dielectricpr