检索结果-内蒙古大学图书馆

材料化学综合实验:钙钛矿结构钛酸铋钠基绿色储能介电电容器的制作与性能测试

化学教育(中英文) 2025年第8期46卷 44-51页

作者：杨变魏灵灵孙少东西安理工大学材料科学与工程学院陕西西安710048 陕西师范大学化学化工学院陕西西安710119

新工科建设强调培养工程科技人才要注重综合性、实践性和创新性。同时,将绿色储能介电电容器视为实现清洁能源利用和促进绿色经济发展的重要手段。基于这一理念,以绿色无铅的(Bi,Na)TiO3(BNT)介电陶瓷材料为核心,将介电电容器相关研究... 详细信息

新工科建设强调培养工程科技人才要注重综合性、实践性和创新性。同时,将绿色储能介电电容器视为实现清洁能源利用和促进绿色经济发展的重要手段。基于这一理念,以绿色无铅的(Bi,Na)TiO3(BNT)介电陶瓷材料为核心,将介电电容器相关研究内容引入实验教学环节。实验教学内容包括学习介电电容器的工作原理和材料的组成设计、制备以及性能测试方法,同时分析微观结构和电滞回线,总结其对能量密度和能量存储效率的影响。通过实现介电材料基础与科学研究的有机连接,使学生对介电电容器的概念和原理有更深刻的理解,并获得关于清洁能源储存器件的实践经验,同时也有助于增强学生的绿色化学素养。

关键词：新工科实验教学介电电容器钙钛矿结构能量存储固相法

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提高介电电容器能量密度的优化策略

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山东陶瓷 2024年第4期47卷 35-47页

作者：梁峰罗苏南吴桂泰江西理工大学电气工程与自动化学院

围绕介电电容器低能量密度这一问题,本文从介电常数、剩余极化强度和击穿强度等方面,对材料、组分掺杂、电容器结构相关的复合优化策略进行了综述。选取无铅高介电常数材料,通过掺杂或形成固溶物来提高介电常数和击穿强度,降低剩余极化... 详细信息

围绕介电电容器低能量密度这一问题,本文从介电常数、剩余极化强度和击穿强度等方面,对材料、组分掺杂、电容器结构相关的复合优化策略进行了综述。选取无铅高介电常数材料,通过掺杂或形成固溶物来提高介电常数和击穿强度,降低剩余极化;采用多层陶瓷电容器结构,制备数量更多更薄的介电层,优化内电极的结构以及改善介电层与内电极间的界面,提高介电电容器能量密度。

关键词：介电电容器能量密度能量效率介电常数多层陶瓷电容器

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柔性固态电容器电极的构建与性能研究

柔性固态电容器电极的构建与性能研究

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作者：李云明中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：博士

柔性固态电容器具有小型化、多功能化的优点,在储能器件、电力电子等方面具有广泛的应用,成为当前工业界和学术界关注的研究热点之一。已有研究表明,开发高性能、易于加工、轻质、柔性的电极材料,成为发展柔性固态电容器的核心任务。为... 详细信息

柔性固态电容器具有小型化、多功能化的优点,在储能器件、电力电子等方面具有广泛的应用,成为当前工业界和学术界关注的研究热点之一。已有研究表明,开发高性能、易于加工、轻质、柔性的电极材料,成为发展柔性固态电容器的核心任务。为此,本文以构筑结构新颖、性能优异的先进电极为目标,研究内容涉及超级电容器和介电电容器的应用背景。主要的研究工作和结果如下:首先,为提高固态超级电容器的散热能力,需要开发一种具备高导热和高性能的电极材料。为此,采用一步电化学沉积法,在柔性石墨膜（Graphite foil,GF）表面原位生长了“花状”三元钴镍硫化物（CoNi2S4,CNS）纳米片,制备了超级电容器用无粘结剂一体化电极（GF/CNS）。直接在高导热导电的石墨膜表面生长活性物质,形成传导的路径,不仅促进电子的迁移,有助于提高电化学性能;同时减少了界面热阻,有助于改善散热能力。因此,该GF/CNS电极展示出优异的导热系数620.1 W m-1K-1和高的比电容881 F g-1(电流密度为5 mA cm-2),同时具有良好的倍率性能和循环稳定性能。利用GF/CNS电极组装了柔性对称固态超级电容器,通过原位的热效应监测,该固态器件在大电流充放电过程中,显示出优秀的散热性能,其散热能力远远超过传统的浆料电极组成的器件。该方法为能源器件的热管理提供了一个简单有效的策略。其次,为提高固态超级电容器中电子收集和传输的效率,本体系构筑了多级的导电互联网络。通过溶液加工法,获得了具有导电性和交替层状排列结构的氢氧化镍纳米片/石墨烯复合薄膜（Ni-GS）。为进一步提高超级电容器电极的导电能力,采用丝网印刷的方法,在Ni-GS表面制备柔性集流体。作为一体化电极,仍然具备轻质、柔性的特点。基于多级的导电结构,石墨烯作为柔性的骨架,有助于β-Ni（OH）2形成导电的通路,同时导电互联的集流体有效提高整个器件（电极）的电子收集和传输能力。利用该一体化电极组装柔性固态对称超级电容器,其电容量(61.7 mF cm-2,5 mA cm-2)获得显著提升,为普通方法组装器件的3.7倍。本项工作为发展高性能超级电容器提供了一个简单有效的策略。第三,基于前一章节的研究,在本章中,以柔性的导电布为衬底,电化学沉积制备3D多孔镍阵列,获得高电导和大比表面的柔性集流体（3D Ni/CC）,在此基础上,进一步电化学沉积NiCo-LDH纳米片,制备了超级电容器用无粘结剂一体化电极（3D Ni/LDH）。得益于集流体3D Ni/CC的分级结构,显著增加了活性物质负载量,同时提供有效电子传输网络。研究表明,3D Ni/LDH一体化电极材料具有高的质量比电容2248 F g-1和高的面积比电容3260 mF cm-2(电流密度为5 mA cm-2),同时具有良好的循环稳定性。最终,所组装的柔性固态对称超级电容器展示高达116.7 mF cm-2的电容量(电流密度为5 mA cm-2),同时获得了优异的循环稳定性,电流密度10 mA cm-2,10 000圈循环,电容保持率可达105%。这种低成本和简单构筑具有分级结构电极的策略,有望为发展柔性能量存储器件提供一个经济实用的方法。第四,为提高固态介电电容器的击穿强度和储能密度,本体系构筑了氧化石墨烯包覆钛酸钡杂化颗粒（BT@GO）,用于提高介电聚合物复合材料的储能密度。所制备的BT@GO/PVDF复合材料保持较高的介电常数和较低的介电损耗,同时获得优异的击穿强度和储能密度。其中20 wt%BT@GO的复合材料,介电常数为14、介电损耗为0.04（1 kHz）,击穿强度高达210 MV/m,所展示的最高储能密度可达3.88 J/cm3,分别是纯PVDF和同含量BT/PVDF复合材料的2.1倍和1.6倍。该复合材料可调控的性能来源于BT@GO新颖的结构以及两者的协同作用,GO壳作为缓冲层有效缓解局部的电场浓度,从而提高击穿强度;BT作为“核”可有效提高复合材料中的介电常数。基于界面结构工程,为发展高储能密度的介电聚合物复合材料提供了潜在的思路。

关键词：能量存储复合电极柔性固态超级电容器介电电容器

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热塑性聚酰亚胺/氧化铝三明治结构柔性电介质薄膜的设计制备及其高温介电储能性能

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物理学报 2024年第17期73卷 266-276页

作者：卓俊添林铭浩张齐艳黄双武深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室深圳518060 深圳大学电子与信息工程学院深圳518060

介电电容器具有功率密度高、充放电速度快、损耗低及循环稳定性好等优点,在先进电子和电力系统中发挥了重要的应用.聚合物电介质凭借其高击穿强度、柔性和易加工等优点,成为高电压电容器的首选材料.然而,其较低的温度稳定性难以满足新... 详细信息

介电电容器具有功率密度高、充放电速度快、损耗低及循环稳定性好等优点,在先进电子和电力系统中发挥了重要的应用.聚合物电介质凭借其高击穿强度、柔性和易加工等优点,成为高电压电容器的首选材料.然而,其较低的温度稳定性难以满足新能源汽车和光伏发电等新兴领域对高工作温度的需求.本文利用物理气相沉积技术,在具有高玻璃化转变温度(T_(g))的热塑性聚酰亚胺(TPI)薄膜表面沉积氧化铝(Al_(2)O_(3))镀层,制备了有机/无机三明治结构的Al_(2)O_(3)/TPI/Al_(2)O_(3)电介质薄膜.研究结果显示,氧化铝镀层不仅与TPI之间具有优异的界面结合性,还提高了肖特基势垒,抑制了电极电荷的注入,从而降低了高温下的漏电流,并提高了击穿强度.制备的Al_(2)O_(3)/TPI/Al_(2)O_(3)三明治结构薄膜在高温下获得了优异的放电能量密度(Ud)和充放电效率(η).例如,在150和200℃高温下,η>90%时的Ud分别达到4.06和2.72 J/cm^(3),相比纯TPI薄膜提升了98.0%和349.4%.

关键词：介电电容器能量密度三明治结构物理气相沉积

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Ca2NaNb4O13纳米片印刷电容器的制备及其性能研究

Ca2NaNb4O13纳米片印刷电容器的制备及其性能研究

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作者：付玉水武汉理工大学

学位级别：硕士

近年来,可穿戴电子、无源射频天线以及物联网应用的蓬勃发展,不断对低成本、高灵活性和环境友好的生产技术提出需求。而印刷电子由于符合这一发展需求,得以迅速兴起。在印刷电子领域,油墨大多由一些有机物或高分子材料组成,因此一些印... 详细信息

近年来,可穿戴电子、无源射频天线以及物联网应用的蓬勃发展,不断对低成本、高灵活性和环境友好的生产技术提出需求。而印刷电子由于符合这一发展需求,得以迅速兴起。在印刷电子领域,油墨大多由一些有机物或高分子材料组成,因此一些印刷的电子器件性能往往受限于油墨组成。研究表明,二维材料因其优异的特性在印刷电子领域极具吸引力,各种二维材料开始在印刷电子领域崭露头角。在电子电力系统中,电介质电容器是一种常见的电力存储元件。其中,绝缘层在电容器中至关重要。氮化硼纳米片是印刷领域中最常见的二维绝缘材料之一,已经成功用于制备介电电容器。但是受限于其较低的介电常数,介电电容器的电容密度往往较低。因此,为了进一步提高电容密度,使用具有高介电常数的氧化物纳米片作绝缘层是一种可行的方案。本论文以具有高介电常数（约290）的二维单层Ca2NaNb4O13钙钛矿纳米片为原料,制备了功能性油墨,然后利用喷墨打印技术制备介电电容器,期望得到高电容密度的印刷电容器。首先,使用固相合成法合成层状化合物KCa2NaNb4O13,再通过离子交换反应和液相剥离法制备Ca2NaNb4O13钙钛矿纳米片。通过控制超声功率得到尺寸符合打印要求的纳米片（<400 nm）。然后,根据材料性质和喷墨打印要求制备了三种不同体系的油墨。通过优化油墨配方以及调试喷墨打印参数,稳定喷墨打印工艺,在不同基板上实现油墨的图案化。最后,使用合成的Ca2NaNb4O13油墨以及商用银油墨制备全印刷Ag/Ca2NaNb4O13/Ag陶瓷电容器,并对其介电性能进行表征。本论文研究了不同后处理条件对电容器性能的影响,确定了最佳的后处理工艺。通过研究不同有效面积和介质层厚度以及串并联对电容器性能的影响,发现实验结果符合平行板电容器以及电容器串并联公式规律,进一步证明了印刷工艺的稳定性。在研究介质层厚度对电容器性能的影响时,发现当打印层数较低时（<50）,容易出现短路的情况;而当打印层数为100时,器件的合格率达到96%。在介质层厚度约为2μm时,打印电容器的平均电容密度约为21 n F/cm2,电容器的介电常数约为52,介电损耗约为2%,漏电流密度小于10-7A/cm2。这项工作引入具有高介电常数的氧化物纳米片,能够显著提升电容器的电容密度,在基于油墨的增材制造领域展现出了巨大的应用潜力。

关键词：介电电容器 Ca2NaNb4O13钙钛矿纳米片喷墨打印电容密度

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基于微波照射储能用PbZrO_(3)反铁电薄膜的制备

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沈阳工业大学学报 2022年第6期44卷 636-641页

作者：王占杰房胤白宇沈阳工业大学材料科学与工程学院沈阳110870

为了获得具有优良储能性能的PbZrO_(3)反铁电薄膜,采用微波照射技术在LaNiO_(3)电极薄膜上制备了PbZrO_(3)薄膜,并研究了PbZrO_(3)薄膜的微结构、电学性能和储能性能随微波照射时间的变化规律.结果表明:通过微波照射在750℃下只需要180 ... 详细信息

为了获得具有优良储能性能的PbZrO_(3)反铁电薄膜,采用微波照射技术在LaNiO_(3)电极薄膜上制备了PbZrO_(3)薄膜,并研究了PbZrO_(3)薄膜的微结构、电学性能和储能性能随微波照射时间的变化规律.结果表明:通过微波照射在750℃下只需要180 s就可以获得晶粒大小均匀且微结构致密的钙钛矿相PbZrO_(3)薄膜;在1640 kV/cm电场下PbZrO_(3)薄膜的储能密度可达27.3 J/cm^(3),储能效率可达59%,表现出良好的储能性能.因此,在结晶过程中使用微波照射技术可以有效获得具有优良储能性能的PbZrO_(3)反铁电薄膜.

关键词：介电电容器 LaNiO_(3)电极 PbZrO_(3)薄膜铁电性能储能性能微波照射溶胶凝胶法退火

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钛酸铋钠基无铅高熵弛豫铁电体的制备及储能性能研究

钛酸铋钠基无铅高熵弛豫铁电体的制备及储能性能研究

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作者：杨凯华广西大学

学位级别：硕士

电介质陶瓷电容器因其功率密度高、充放电速度快、寿命长、热稳定性好等特点,在诸多先进的高压/脉冲功率电子系统,如国防军事、航天航空、医疗器械等领域具有广泛应用。钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)Ti O3,BNT)铁电陶瓷因具有极化强度高、组元... 详细信息

电介质陶瓷电容器因其功率密度高、充放电速度快、寿命长、热稳定性好等特点,在诸多先进的高压/脉冲功率电子系统,如国防军事、航天航空、医疗器械等领域具有广泛应用。钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)Ti O3,BNT)铁电陶瓷因具有极化强度高、组元兼容性好、绿色环保、成本低廉、易于生产等特点,成为备受关注的无铅弛豫铁电陶瓷储能材料之一。然而,纯BNT在电场下具有剩余极化高和回滞大等特点,不利于储能应用。针对上述问题,本研究将高熵理念应用于BNT陶瓷的设计中,通过在A、B位引入多种离子半径和价态不同的离子,构建高熵弛豫铁电体,从而调控剩余极化、回滞、击穿场强和储能性能。本研究的主要研究内容如下: （1）在BNT基体的A位中引入Ba2+、Sr2+和Ca2+三种价态和半径不同的离子,构建高熵弛豫铁电体(Na0.2Bi0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)Ti O3,并通过调节Bi3+和Na+这两种铁电性较强的元素的含量,合成来(Nax%Bix%Ba（1-2x%）/3Sr（1-2x%）/3Ca（1-2x%）/3)Ti O3（x=20,22,24,26,28）(x NB)系列陶瓷来调控NBBSCT基体的熵值和铁电性,调节其饱和极化强度,从而优化储能性能。经过Bi3+和Na+的优化作用,最大饱和极化强度有了明显的提升,从20NB的36.7μC/cm2提升至28NB的57.9μC/cm2,最终在26NB陶瓷取得最佳综合储能性能,即高的饱和极化强度55.3μC/cm2并保持低剩余极化强度7.5μC/cm2。在470 k V/cm的电场下,该组分陶瓷的储能密度达到6.1 J/cm3,储能效率为85%,并表现出良好的温度及频率稳定性。（2）在NBBSCT基体中的B位掺杂不同含量的同价离子Zr4+来替换Ti4+,利用等价离子调控熵值,合成(Na0.2Bi0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti1-x%Zrx%)O3（x=0,2,4,6,8,10）固溶体Zr4+的加入,不仅有效延迟饱和极化而且增大了陶瓷体系的击穿场强。当Zr4+的添加量为6 mol%时,改性效果达到最佳,击穿场强提升至550 k V/cm,并且Pm的下降不明显,最终获得Wrec=6.6 J/cm3的高储能密度,以及η=93%的超高储能效率。同时,6Z陶瓷在不同条件的铁电测试中能够保持性能稳定性。（3）在NBBSCT体系中的B位掺杂异价离子Mg2+和Nb5+（MN）替换Ti4+,利用异价离子调控熵值,合成(Na0.2Bi0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)(Ti1-x%(Mg1/3Nb2/3)x%)O3（x=0,1,2,3,4）固溶体。MN的加入一方面有效增强了体系的弛豫特性;另一方面降低了相变温度,并室温下得到超顺电相,进而在少量降低Pm并且保持Pr很小的条件下,显著提升击穿电场。当x=3时,击穿场强明显提升,达到610 k V/cm,最终该组分的储能密度高达7J/cm3,储能效率为93%,表现出优秀的频率和温度稳定性。本研究为提高BNT基介电陶瓷的储能性能提供了新思路,为新型无铅陶瓷组分的开发提供了新典型,为高熵理念的引入和利用提供了新方法,为无铅储能陶瓷的深入探索提供新策略。

关键词：介电电容器储能性能钛酸铋钠钙钛矿高熵陶瓷弛豫铁电体

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功能化碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的构建及介电性能研究

功能化碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的构建及介电性能研究

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作者：周良武汉理工大学

学位级别：硕士

聚合物基介质电容器因其具有良好的柔韧性、轻便性和功率密度高等优点而备受关注。但是目前的聚合物介质电容器通常能量密度过低,并且不能在高温环境下使用,这限制了介电电容器的进一步发展。因此,研究出具有高能量密度、低介电损耗的... 详细信息

聚合物基介质电容器因其具有良好的柔韧性、轻便性和功率密度高等优点而备受关注。但是目前的聚合物介质电容器通常能量密度过低,并且不能在高温环境下使用,这限制了介电电容器的进一步发展。因此,研究出具有高能量密度、低介电损耗的耐高温聚合物介质材料变得愈发重要。本论文主要研究碳纳米管/聚酰亚胺（CNTs/PI）复合材料,通过不同功能化改性方法修饰碳纳米管（CNTs）,解决CNTs在聚合物中的分散问题。同时引入氮化硼纳米片（BNNs）,设计一种多层结构,与CNTs之间进行协同作用,以解决材料的介电常数和击穿场强难以同时提高的问题,从而制备出高储能密度、低介电损耗的PI基复合电介质材料。主要的研究内容及结果如下:（1）以带有磺酸根基团的芳基重氮盐对碳纳米管进行化学改性,获得磺化改性碳纳米管（SCNT）,与聚酰亚胺（PI）进行溶液复合,通过流延成膜、热亚胺化制备SCNT/PI纳米复合材料。由于SCNT的加入,复合材料的热稳定性得到提高。同时复合材料的介电常数和储能密度也发生了显著的增加,SCNT含量达到12 wt.%时,介电常数达141.3,是纯聚酰亚胺的40倍,且储能密度达1.84 J/cm3。（2）以壬基酚聚氧乙烯醚磺酸钠（NPEQ）改性SCNT,制备长链功能化的碳纳米管（CNTF）,并制备CNTF/PI复合材料。NPEQ能与CNTs表面的磺酸根发生离子交换,在CNTs表面包覆一层有机层形成特殊的核壳结构,提高CNTs在PI中的相容性。扫描电镜结果显示,与未改性的CNTs相比,CNTF在PI中具有更好的分散性。添加CNTF后,复合材料的介电常数明显提高,同时介电损耗、击穿强度以及储能密度都得到有效改善。介电常数最大达5.4,介电损耗仅0.015,且最大放电能量密度可达到3.77 J/cm3。（3）设计一种以CNTF/PI为外层高介电层,以BNNs/PI为内层高击穿层的多层结构,通过热压法制备了一种PI基三层聚合物纳米复合材料。透射电镜可以看出溶液剥离法成功合成出了剥离效果好、具有少层结构的BNNs。其中BNNs含量为8 wt.%时,单层BNNs/PI复合材料综合性能最优异,击穿强度达410 MV/m。介电性能和储能密度分析表明,PI基多层聚合物纳米复合材料相比纯PI、单层BNNs/PI复合材料和CNTF/PI复合材料,具有更加优异的介电常数、击穿场强和储能密度。在CNTF和BNNs填充比例分别为4 wt.%和8 wt.%时,多层复合材料的介电常数达到了5.83,与此同时多层复合薄膜最大放电能量密度可达5.81 J/cm3。

关键词：介电电容器碳纳米管聚酰亚胺多层结构储能密度

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(Pb,La)（Zr,Sn,Ti）O3基反铁电材料的制备及其储能性能研究

(Pb,La)（Zr,Sn,Ti）O3基反铁电材料的制备及其储能性能研究

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作者：但钰湖北大学

学位级别：硕士

介电电容器具有优异的抗老化性能,同时在高温高压下具有良好的稳定性,这些优点使其从众多的储能设备中脱颖而出,成为当下电子电力系统中的关键器件之一。此外,这些电容器具有适用于高脉冲系统的瞬时放电特性,因此被广泛地用于混合动力... 详细信息

介电电容器具有优异的抗老化性能,同时在高温高压下具有良好的稳定性,这些优点使其从众多的储能设备中脱颖而出,成为当下电子电力系统中的关键器件之一。此外,这些电容器具有适用于高脉冲系统的瞬时放电特性,因此被广泛地用于混合动力汽车、脉冲电磁炮、宇航飞船以及其它综合动力驱动战舰等领域。然而,由于介电电容器单位体积储能密度很低,在实际应用中为了达到需求,总是需要把它们的体积做得很大,这会占用很多空间,严重限制了它们的应用。因此为了实现设备的小型化和轻量化应用,扩展介电电容器的应用领域,开发出高储能密度介电材料是必不可少的。目前,应用于电容器的介电材料主要有四类,分别是反铁电材料、线性电介质、铁电材料和弛豫铁电材料。在这些材料中,当施加相同强度的外电场时,因具有接近零的剩余极化强度和高的饱和极化强度,反铁电材料展现出了最大的储能密度。此外,相比其它类型的介电电容器,由于反铁电材料独特的场致反铁电-铁电相变特征,反铁电基电容器拥有最快的充放电速率。因此,反铁电基储能材料成为当前的一个研究热点,而锆钛锡酸铅镧（PLZST）基反铁电材料因其宽的反铁电相存在区域备受关注。基于此,本文为了解决目前PLZST反铁电基介电电容器实用化过程中遇到的大储能密度和高储能效率难以同时兼得的问题,研究了不同La含量、高Sn含量以及用溶胶凝胶方法制备出的PLZST四方反铁电陶瓷的储能性能,同时为了实现反铁电材料储能密度的进一步提升,还对用溶胶凝胶法制备出的PLZST及PLZST/P（VDF-HFP）复合基反铁电薄膜的储能性能进行了初步探索。具体的研究内容与结论如下:1.通过传统的固相烧结法制备了不同La含量的(Pb1-1.5xLax)(Zr0.5Sn0.43Ti0.07)O3（x=0,0.5%,1%,1.5%,2.5%,3%,4%,5%）四方反铁电陶瓷,并对其相结构、微观形貌和储能性能分别进行了研究。实验结果表明,通过改变(Pb1-1.5xLax)(Zr0.5Sn0.43Ti0.07)O3反铁电陶瓷中La3+含量,可提高陶瓷的反铁电相稳定性即增大铁电-反铁电相变电场EA,降低陶瓷的电导率即提高击穿电场Eb,同时由于弛豫反铁电态出现导致电滞回线变细,使得陶瓷可释放的储能密度Wre和储能效率η得到了极大提高。在3 mol%La3+掺杂的(Pb1-1.5xLax)(Zr0.5Sn0.43Ti0.07)O3反铁电陶瓷中获得了最优异的储能性能,其在室温下同时具有大的可释放储能密度4.2 J/cm3和高的储能效率78%,分别是x=0时的(Pb1-1.5xLax)(Zr0.5Sn0.43Ti0.07)O3反铁电陶瓷(Wre=1.45 J/cm3,η=50%)的2.9倍和1.56倍。此外,该陶瓷具有良好的温度稳定性,在25°C-125°C温度范围内,其可释放储能密度Wre和储能效率η改变较小。2.采用传统的固相烧结法制备了Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.39Ti0.11)O3（PLZST 50/39/11）、Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.41Ti0.09)O3（PLZST 50/41/9）、Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.45Ti0.05)O3（PLZST50/45/5）、Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.46Ti0.04)O3（PLZST 50/46/4）、Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.475Ti0.025)O3（PLZST 50/47.5/2.5）和Pb0.97La0.02(Zr0.475Sn0.525)O3（PLZS 47.5/52.5）等多种不同高Sn含量的反铁电陶瓷,并详细研究了它们的相结构、表面微观形貌和储能性能。结果表明,在单一的材料中,合适的Sn含量可同时实现大的可释放储能密度Wre和高的储能效率η。当Sn的含量为46%时,PLZST反铁电陶瓷在室温下具有最佳的储能性能,其可释放储能密度Wre高达3.2 J/cm3,储能效率η高达86.5%。并且在20°C-120°C温度范围内,它的可释放储能密度变化很小,表明其具有良好的热稳定性。3.用廉价的二丁基氧化锡取代昂贵的醋酸锡通过改进的溶胶凝胶法制备了Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.45Ti0.05)O3反铁电纳米粉,并利用纳米粉在不同温度下烧结制备了陶瓷。研究了烧结温度对陶瓷的微观形貌和储能性能的影响。结果表明,在580°C时成功制备了粒径约为200nm、具有纯钙钛矿相结构的纳米粉体;与传统固相法制备的陶瓷相比,纳米粉制备的陶瓷有效避免了Sn元素的偏析,具有更单一的相结构。此外,在1100°C的低温下即可获得致密的反铁电纳米粉陶瓷,其可释放储能密度也达到了1.93 J/cm3,并且其热稳定性良好。4.通过旋涂法在Si/SiO2/Ti

关键词：介电电容器反铁电材料锆钛锡酸铅镧储能密度储能效率

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钛酸铋钠基弛豫反铁电体的相结构调控与储能性能研究

钛酸铋钠基弛豫反铁电体的相结构调控与储能性能研究

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作者：车祉颐广西大学

学位级别：硕士

介电储能电容器具有功率密度高、放电速度快的特性,在高功率动力系统、微型电子器件等方面有着广泛的应用前景。弛豫反铁电体材料具有特殊的双电滞回线、极化强度和击穿强度高、能量损耗低等优点,是理想的电介质储能材料。(Bi0.5Na0.5)T... 详细信息

介电储能电容器具有功率密度高、放电速度快的特性,在高功率动力系统、微型电子器件等方面有着广泛的应用前景。弛豫反铁电体材料具有特殊的双电滞回线、极化强度和击穿强度高、能量损耗低等优点,是理想的电介质储能材料。(Bi0.5Na0.5)Ti O3（BNT）作为一类重要的反铁电材料,具有极化强度高和组元兼容性好等优点,具备成为高性能储能材料的潜力。然而,纯的BNT存在大的剩余极化强度和回滞,反铁电相区域窄,相结构不稳定,且反铁电性存在争议等问题。针对上述问题,本课题围绕BNT基陶瓷的反铁电相界的构建、相结构解析和稳定性等开展研究,研究其对储能性能的影响规律,取得了如下研究成果。（1）在BNT中引入反铁电体Ag(Nb0.5Ta0.5)O3（ANT）形成（1-x）BNT-x ANT单相固溶体。研究表明,通过调节ANT含量可有效调控铁电三方-反铁电四方相的相对比例,形成局域正交畸变,增强反铁电性。在此基础上,基于缺陷工程调控原理,将烧结气氛调节为氧气,可有效抑制铋、钠等元素的挥发及银单质的析出,减少阳离子空位的形成,从而降低漏导,陶瓷的击穿强度从410 k V/cm提升至510 k V/cm。因此,0.85BNT-0.15ANT陶瓷的可循环储能密度达到6.6 J/cm3,储能效率为72%,同时也表现出良好的频率稳定性和循环充放电性能。（2）在BNT基体中引入具有更高固溶度的反铁电体Na(Nb0.5Ta0.5)O3（NNT）,在大范围内形成（1-x）BNT-x NNT固溶体。XRD和TEM研究表明,组元NNT的引入使陶瓷的相结构由三方-四方相共存态向反铁电正交相转变,同时弛豫特性增强。当NNT含量为25 mol%时,BNT的亚稳正交相与NNT的正交相共存过渡为室温稳定的反铁电正交相,进一步增强反铁电的稳定性。介电温谱表明,陶瓷的反铁电相和顺电相的相区范围大幅扩展,介电常数在355°C宽温区内波动小于±5%。0.75BNT-0.25NNT陶瓷的综合储能性能达到最优,在490 k V/cm下可循环储能密度为6.4 J/cm3、储能效率为86%,并在25°C至120°C内表现出良好的温度稳定性。（3）为降低NNT对极化强度的影响,在0.75BNT-0.25Na(Nb1-yTay)O3弛豫反铁电体系中调节Ta含量。研究表明,降低Ta含量可减弱B-O键的共价键性,有利于偶极子翻转、B位离子迁移,增大极化强度。值得注意的是,改变Nb/Ta含量不会引起晶格畸变或空位增加,使体系仍然保持反铁电正交相结构。TEM研究表明,小幅降低Ta含量使反铁电正交相结构稳定性增强,同时出现非公度调制现象,弛豫特性增强。最终,当Ta含量为40 mol%时,陶瓷表现出39.1μC/cm2的高极化强度和530 k V/cm的高击穿强度,可循环储能密度和储能效率分别为7.0 J/cm3和86%,同时在25°C至160°C内表现出优良的储能和循环充放电性能稳定性。本课题为BNT弛豫反铁电体的结构设计提供了新思路,对探索相结构的转变关系及其对储能性能的影响有着重要的指导作用。

关键词：介电电容器储能性能钛酸铋钠基弛豫反铁电体相结构

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