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前沿院娄晓杰教授课题组在提高四方钨青铜结构铁电陶瓷的储能性能方面取得新进展

来源:      发布时间:2023-12-22     点击量:

电介质储能陶瓷电容器属于无源组件类别的电能储存设备由于其高功率密度、快速的充放电速度以及长循环寿命等优点,该类电容器有望在混合动力汽车、大功率换能器以及大功率脉冲设备中得到广泛应用。近年来,科研人员进行了大量的研究工作,致力于开发具有高储能密度和高储能效率的新型电介质材料。尽管如此,目前的研究对象主要集中于具有钙钛矿结构的铁电体、弛豫铁电体和弛豫反铁电体。四方钨青铜结构(TTBs)铁电体,作为仅次于钙钛矿结构铁电体的第二大类铁电体,由于其复杂的晶体结构和多元的元素可调性,在电介质储能方面的研究却鲜有报道。

在本研究中,云鼎国际4118welcome的娄晓杰教授与合作者通过在Gd0.03Ba0.47Sr0.485Nb2O6陶瓷基体中掺杂Sm3+,打破了铁电体的长程有序,构建了弱耦合的极性纳米微区,从而显著提高了具有四方钨青铜结构的电介质陶瓷的储能性能。在660 kV cm-1的电场条件下,化学式为Gd0.03Ba0.47Sr0.455Sm0.02Nb2O6的弛豫铁电陶瓷获得了高达9 J cm-3的可回收能量密度,同时储能效率高达84%。值得注意的是,该陶瓷的储能性能对频率、温度和循环电场具有显著的稳定性。通过对该样品的介电温谱进行经典的Vogel–Fulcher模型拟合,得到的高激活能证明了其中的极性团簇是相互孤立的(即弱耦合)。同时,具有原子分辨率的HAADF-STEM结果直观地展示了这一重要特征。弱耦合的极化纳米微区有利于在获得高极化的同时具有较低的剩余极化。结构特征分析显示,Sm3+含量越高,非公度系数越大,表明存在高度无序的A位结构。同时,获得了高的电导活化能、拓宽的带隙和较低的电致应变,击穿强度也得到了显著提高,最终获得了超高的储能密度。这项研究极大地提升了基于TTBs的电容器的能量存储能力,使其在性能上与主流的钙钛矿结构电介质陶瓷相媲美,扩大了大功率脉冲设备应用的材料选择范围。这一创新性研究有望为电介质储能领域的未来发展带来新的思路和方向。

以上研究成果以《通过弱耦合弛豫设计钨青铜电介质陶瓷实现超高能量存储》(Ultrahigh Energy Storage in Tungsten Bronze Dielectric Ceramics Through a Weakly Coupled Relaxor Design)为题发表于国际材料领域期刊《先进材料》Advanced Materials。论文第一单位是西安交通大学前沿院和金属材料强度国家重点实验室,第一作者为云鼎国际4118welcome博士生高阳飞,云鼎国际4118welcome博士生乔文为共同一作,通讯作者为云鼎国际4118welcome前沿院娄晓杰教授、西安理工大学杨变讲师香港理工大学陈子斌助理教授和卧龙岗大学张树君教授。

该研究工作得到了国家自然科学基金、鄂尔多斯科技合作项目等项目的资助。同时感谢云鼎国际4118welcome分析测试中心马传生老师给予的帮助和支持。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202310559

娄晓杰教授课题组主页:https://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03/home


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