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儀器學院在高性能織構陶瓷儲能電容器研究方向取得重要進展

2020年10月13日 新聞網 瀏覽次數:639

哈工大報訊(儀器/文)近日,儀器學院常雲飛副教授研究組與西安交通大學、澳大利亞伍倫貢大學等單位合作發表了關於多層織構陶瓷儲能電容器的最新研究成果。該成果以《用於能量儲存的晶粒擇優取向多層陶瓷電容器》(“Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications”)為題,刊發於國際學術期刊《Nature Materials》(《自然·材料》)。常雲飛為論文共同通訊作者之一。    

陶瓷電容器以高放電功率、快充放電速率和抗衰退循環等優勢,在電子、通訊、交通和脈衝功率器件等眾多領域有着廣泛的需求。大電容容量、尺寸小型化和高耐壓等特點是陶瓷電容器的發展趨勢。然而,目前制約陶瓷電容器發展的一個主要問題是較低擊穿電場強度導致的低儲能密度。

基於鈣鈦礦結構電致伸縮效應的各向異性特點,研究團隊提出了一種新的設計思路,即通過控制陶瓷晶粒取向(織構工程)來降低電容器在外場刺激下產生的應變和應力,避免微裂紋和拉伸應力所導致的陶瓷擊穿,從而提高擊穿電場強度和儲能密度。研究團隊巧妙地運用局部化學微晶轉化法制備了徑厚比高的鈦酸鍶模板,然後基於模板晶粒生長技術首次製備了沿<111>擇優取向且織構度達91%的鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層陶瓷電容器,將其擊穿電場提高至100 MV m-1,獲得了高達21.5 J cm-3的儲能密度,為目前已知陶瓷電容器的最高值。該研究為突破制約陶瓷電容器發展的技術難題提供了新設計思路,並且該思路可廣泛應用於提高其他電子功能陶瓷的強場工作穩定性和可靠性,如基於電卡效應的固態製冷陶瓷等。

圖1 多層陶瓷電容器單個陶瓷層的應變和彈性能分佈的有限元模擬:(a) 陶瓷電容器和單陶瓷層示意圖;沿<100>,<110>和<111>取向的鈣鈦礦樣品的(b) 局部位移、(c) 應力局域分佈和 (d) 局部彈性能密度。

圖2 <111>多層織構陶瓷電容器的取向結構特徵及其儲能特性:(a) 鈦酸鍶模板和(b, c) <111>多層織構陶瓷電容器的截面顯微照片;織構陶瓷的(d) XRD圖譜和(e)晶粒取向分佈圖;(f) 多層織構陶瓷電容器照片;(g) 隨機取向以及分別沿<001>和<111>取向的多層陶瓷應變與電場的關係;(h) <111>取向多層陶瓷極化強度與電場的關係;(i) <111>取向多層織構陶瓷與文獻報道的陶瓷材料儲能密度對比。

該研究工作得到國家自然科學基金委面上項目和黑龍江省自然科學基金優秀青年項目等支持。

文章鏈接://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x


編輯:劉培香