聊城大學研究團隊在電介質(zhì)陶瓷儲能領(lǐng)域取得重要進展

近日， 聊城大學材料科學與工程學院付鵬副教授和山東大學王春明教授在電介質(zhì)陶瓷儲能領(lǐng)域取得新的研究進展，利用化學改性手段開發(fā)出具有良好綜合儲能性能的BaTiO3 (BT)基陶瓷體系。相關(guān)成果以“Achieving ultrahigh energy storage properties with superior stability in novel(Ba(1-x)Bix)(Ti(1-x)Zn0.5xSn0.5x)O3

relaxor ferroelectric ceramics via chemical modification”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（中科院1區(qū)、TOP期刊，2022年發(fā)布的影響因子達到16.744）期刊上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141724。

電介質(zhì)儲能電容器因其超高的功率密度、快速充放電能力、良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機械強度等優(yōu)勢，在電力電子、新能源汽車、航空航天和軍工裝備等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用的電介質(zhì)儲能電容器主要材料體系為陶瓷基和聚合物基材料，與聚合物基介電材料相比，介電陶瓷具有大介電常數(shù)、低介電損耗、適度的擊穿電場、良好的溫度穩(wěn)定性和抗疲勞特性等優(yōu)點。然而，介電陶瓷較低的儲能密度限制了它們的應(yīng)用。因此，使用一定的手段來改善陶瓷基電介質(zhì)電容器的儲能性能成為研究的新焦點和新挑戰(zhàn)。

化學改性是指通過添加或去除原子或分子來修飾其化學組成。在材料科學領(lǐng)域，這種做法通常包含元素替代和多相復(fù)合。而這也是BT陶瓷中用于增強或調(diào)節(jié)其性能的重要方法。該研究工作利用Bi(Zn0.5Sn0.5)O3（BZS）化學改性BT基體制備出(Ba(1-x)Bix)(Ti(1-x)Zn0.5xSn0.5x)O3（BBTZS-x）陶瓷，將BT陶瓷從正常鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠ヨF電體，表現(xiàn)出了良好的綜合儲能特性。在BBTZS-0.12陶瓷中實現(xiàn)了較高的能量密度Wrec=4.99 J/cm3和能量效率h=86.1%；該類材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度（30-150 oC）、頻率（1-500 Hz）和疲勞（循環(huán)次數(shù)100000）穩(wěn)定性（圖1所示）；此外，BBTZS-0.12陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電特性（CD=721.5 A/cm2、PD=151.5 MW/cm3和t0.9=53 ns）。以上性能參數(shù)與其它電介質(zhì)陶瓷體系相比，具有明顯的優(yōu)勢。

圖1.?BT基陶瓷獲得高儲能性能的策略示意圖

圖2. BBTZS-0.12陶瓷(a)?在不同電場下的單極P-E曲線；(b) 頻率穩(wěn)定性曲線；(c)?溫度穩(wěn)定性曲線

針對以上結(jié)果，該課題組通過XRD、SEM、拉曼光譜、PFM等測試表征手段對其高性能的機制進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，改性后的所有樣品都具有偽立方結(jié)構(gòu)和弛豫特性，通過化學改性還形成了PNRs（極性納米微區(qū)）結(jié)構(gòu)，PNRs的快速可逆性有利于延遲極化飽和并導(dǎo)致弛豫，增大了ΔP和Eb，從而有效提高了BT基陶瓷的儲能特性。利用有限元模擬分析了儲能性能提升的結(jié)構(gòu)因素，結(jié)果表明：晶界對電流的阻礙作用大于晶粒，較小且均勻分布的晶粒尺寸更有利于阻礙電流的傳導(dǎo)，提高Eb值，儲能特性可以得到很大的改善。該項工作研制的電介質(zhì)陶瓷在先進脈沖功率電容器和高性能儲能材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

聊城大學為該論文第一署名單位，2020級碩士研究生尹明為論文第一作者，付鵬副教授、李偉教授和山東大學王春明教授為論文通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金、山東省自然科學基金、中國博士后科學基金和中科院無機功能材料與器件重點實驗室開放課題的資助。

該課題組近年來在Chemical Engineering Journal、Journal of the European Ceramic Society、ACS Applied Materials & Interfaces和Ceramics International等知名期刊發(fā)表多篇論文，積極推動了高性能儲能陶瓷材料的研發(fā)和應(yīng)用。