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合肥工业大学科研团队成功研发超高性能无铅反铁电储能材料

2019年03月19日 10:20:17 来源: 合肥工业大学 作者: 字号:TT

近日,合肥工业大学材料科学与工程学院左如忠教授及其科研团队,通过组成调制并引入局域随机场来提高反铁电-铁电相变的驱动电场,制备了一种具有较高介电常数、类线性极化响应的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xNaNbO3(BNT-NN)新型无铅弛豫反铁电陶瓷材料,在获得优异储能效率h~85%的同时,成功地在块体陶瓷材料中实现迄今文献报道最高的放电储能密度值W~7.02 J/cm3,突破了W和h往往严重制约的技术瓶颈,并在国际著名学术期刊《J. Mater. Chem. A》(影响因子9.931)上发表了题为“Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency”的研究论文。论文的第一作者为祁核博士。

图1 室温下0.78BNT-0.22NN陶瓷的储能性能

关于储能介质陶瓷材料的研究,目前主要集中在线性介电陶瓷、正常铁电陶瓷、弛豫铁电陶瓷和反铁电陶瓷四大类。其中,正常铁电体由于高剩余极化而具有较低的储能密度和效率;线性介电陶瓷往往具有低介电常数而导致储能密度较低;弛豫铁电陶瓷储能密度受制于较低的击穿场强;反铁电陶瓷则由于可逆相变过程的滞后性而使得储能效率较低且疲劳特性差。因此,在这些陶瓷介质材料中获得的储能密度和储能效率之间往往存在严重制约,无法同时获得优值。

                     图2 0.78BNT-0.22NN陶瓷的铁电、介电和储能性能随温度和频率的变化

该研究团队采用传统固相合成技术,在BNT陶瓷材料中通过NN取代,将高温的P4bm四方弛豫反铁电相调控至室温附近。通过高分辨TEM、变温Raman光谱和XRD结构精修等技术手段证实了优异的储能特性主要源于体系具有高活性极性纳米微区的反铁电相结构。该设计思想巧妙地利用电场诱发反铁电-铁电相变之前的线性介电响应部分,有效地避免了相变带来滞后性引起储能效率下降的问题,以及同时克服了由于相反转带来快速增加的极化电流易引起介电击穿的问题。另外,该体系材料的储能密度(>3.5 J/cm3)和储能效率(>88%)在25-250 oC、0.1-100Hz范围内保持良好的稳定性。这些优异的储能性能使得BNT基无铅弛豫反铁电陶瓷在脉冲功率系统中具有巨大的应用潜力。该研究成果为实现高性能储能陶瓷材料提供了一种新的设计思路与理论指导。

图3 0.78BNT-0.22NN陶瓷室温下的

微观结构和不同温度下的相结构

[责任编辑:杨虹, 余刚琴(实习生) ]

材料 合肥工业大学 科研 突破 成就

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