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Adv. Mater.儲能介質(zhì)材料 綜述:結(jié)構(gòu)均勻和不均勻的電介質(zhì)及其儲能性能
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http://www.cailiaoniu.com/70046.html 【引言】 為了使電容器能容納的電荷最大,電介質(zhì)需要有高介電常數(shù)和高電介質(zhì)擊穿電壓。目前,大功率應(yīng)用的商業(yè)化的電介質(zhì)主要是聚合物或者陶瓷,它們的能量密度很低。先進(jìn)的電容器的電壓應(yīng)高達(dá)千伏級別,能量密度在15-30J/cm3,放電時間小于1μs?梢杂糜诟吣芰棵芏鹊碾娙萜鞯碾娊橘|(zhì)有幾種,但每種都有各自的局限性。陶瓷的介電常數(shù)高,但擊穿強(qiáng)度低,聚合物和玻璃剛好相反。介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度不能同時提高,因此,增加陶瓷、聚合物和玻璃的這兩個參數(shù)不可行。在過去幾年,納米復(fù)合材料被用來開發(fā)新的介電材料,例如陶瓷基復(fù)合材料、玻璃基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料。然而,如何利用復(fù)合材料每種組分的優(yōu)點(diǎn),避免它們的電性能、熱性能和機(jī)械性能的局限性,這是一個挑戰(zhàn)。近日,武漢理工大學(xué)的劉韓星教授(通訊作者)等人對電介質(zhì)及其儲能性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并以“Homogeneous/Inhomogeneous-Structured Dielectrics and their Energy-Storage Performances”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。 綜述總覽圖 圖1 不同材料的能量密度 一.儲能電介質(zhì)的表征 1. 工作原理和測試方法 對于電容器來說,電介質(zhì)通過利用電場來獲得儲存電能的特性。電容器由兩塊導(dǎo)電的極板和中間的介電層組成。當(dāng)電容器充電的時候,電能被儲存在電介質(zhì)里。電容器的儲能能力和電容有關(guān),電容決定于電介質(zhì)的形狀和介電常數(shù)。 在外加電壓的作用下,電介質(zhì)內(nèi)發(fā)生電極化,導(dǎo)致導(dǎo)電的極板表面積累電荷。當(dāng)積累的電荷引起的電勢和外加電壓相等時,充電結(jié)束。電容可以被定義為電荷關(guān)于電壓的增量變化。 電介質(zhì)的能量密度可以通過公式計(jì)算獲得。對于介電常數(shù)高的電介質(zhì)來說,能量密度也可以通過計(jì)算得到(Emax是最大電場強(qiáng)度,εr是相對介電常數(shù),ε0是真空介電常數(shù))。對于電介質(zhì)的能量效率來說,Jreco是圖2藍(lán)色區(qū)域的積分,Jloss是圖2綠色區(qū)域的積分。線性電介質(zhì)的能量密度可以用0.5ε0εrE2計(jì)算,但非線性電介質(zhì)的不能這樣計(jì)算。 圖2 極化強(qiáng)度-電場強(qiáng)度回線 2. 極化強(qiáng)度-電場強(qiáng)度遲滯回線 線性電介質(zhì)的極化強(qiáng)度和電場強(qiáng)度幾乎呈線性關(guān)系,擊穿強(qiáng)度高,滯后損失少,極化強(qiáng)度低。然而,在電場的作用下,晶界界面積累了大量空間電荷,其電場強(qiáng)度接近最大電場強(qiáng)度,同時漏電電流更高,導(dǎo)致形成有損耗的遲滯回線。和線性電介質(zhì)相反,鐵電體的極化強(qiáng)度以及相對介電常數(shù)和電場強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。鐵電體的飽和極化強(qiáng)度大,電子擊穿強(qiáng)度適中,然而,鐵電材料的納米顆粒可以被引入到擊穿強(qiáng)度高的材料中來提高有效介電常數(shù)。反鐵電體是另一種有前景的儲存能量的材料。它的極化強(qiáng)度-電場強(qiáng)度回線有兩個明顯的遲滯的特征,因此它的能量密度比鐵電體和線性電介質(zhì)的高。 圖3 三種電介質(zhì)的極化強(qiáng)度、相對介電常數(shù)和電場強(qiáng)度的關(guān)系示意圖 二.先進(jìn)的高能儲存電介質(zhì) 1. 結(jié)構(gòu)均勻的電介質(zhì) (1)順電體電介質(zhì) 和鐵電體相比,順電體有這些特征:相對低的介電常數(shù),低介電損失,高介電擊穿強(qiáng)度,用來儲能很有前景。在順電體中,含有鈦的陶瓷,例如 TiO2、CaTiO3 和SrTiO3,已經(jīng)作了深入研究。 TiO2有望作為能量密度高的電介質(zhì),通過引入玻璃類添加劑可以提高擊穿強(qiáng)度。單晶TiO2的擊穿強(qiáng)度比多晶TiO2的高。納米晶體TiO2的擊穿強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小而增加。然而,納米晶體TiO2的擊穿強(qiáng)度在脈沖條件下較低?偟膩碚f,這些TiO2基電介質(zhì)的能量密度近似于1 J cm−3,因此應(yīng)用在高能電容器所受到的關(guān)注受到限制。 SrTiO3被廣泛使用在用于集成電路的電子器件。SrTiO3的陽離子價態(tài)不變和非鐵電體行為促進(jìn)了它在高電壓中的應(yīng)用。盡管擊穿強(qiáng)度的理論上限達(dá)到1600 kV mm−1,但通過傳統(tǒng)加工方法得到的電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度只有8–20 kV mm−1,因此需要不同的方法提高能量密度,例如取代反應(yīng)、用低熔點(diǎn)添加劑組成復(fù)合材料和非化學(xué)計(jì)量比的組成。 由于CaTiO3基固溶體擊穿強(qiáng)度高,儲能行為和溫度無關(guān),最近對CaTiO3基固溶體的研究引起了高能量儲存應(yīng)用極大的關(guān)注,然而CaZrO3能帶隙大,并且由于出色的穩(wěn)定性和導(dǎo)電率低而適合在高溫下使用。盡管CaZrO3擊穿強(qiáng)度高,但介電常數(shù)低,因此可回收的能量密度也低。0.8CaTiO3–0.2CaHfO3固溶體利用了CaTiO3高介電常數(shù)和CaHfO3能隙大的優(yōu)點(diǎn)。它的單介電層結(jié)構(gòu)的電容器的能量密度在100°C以上急劇降低,通過摻雜Mn能顯著提高高溫下的能量密度。 (2)鐵電體電介質(zhì) 順電體電介質(zhì)的電容和介電常數(shù)較低。陶瓷電容器的電容可以通過利用鐵電體和特定的氧化物的混合物來提高。這些電介質(zhì)的介電常數(shù)比順電體的高很多,但或多或少存在非線性特征,在高頻下?lián)p失更大,擊穿強(qiáng)度相對較低。鐵電體陶瓷有望取代氧化鋁和聚合物薄膜電解電容器,但它的一個常見的缺陷是在高儲能器件中擊穿強(qiáng)度較低。沒有缺陷、高純度的鐵電體理論上的擊穿強(qiáng)度很高,但實(shí)際上大多數(shù)鐵電體的擊穿強(qiáng)度很低。 陶瓷電容器的鐵電體電介質(zhì)的能量密度可以通過調(diào)控它們的電子性質(zhì)來優(yōu)化。摻雜改性是調(diào)控鐵電材料電子性質(zhì)的一種方法,因此很多陽離子被引入到鈦酸鋇中。其中,鈦酸鍶鋇由于介電常數(shù)高、泄漏電流低、介電常數(shù)或者極化強(qiáng)度可調(diào)控而有望用于陶瓷器件。 由于弛豫鐵電體結(jié)構(gòu)混亂,因此能量密度高的電介質(zhì)的發(fā)展聚焦在了弛豫鐵電體上。它的高介電常數(shù)和平滑的極化強(qiáng)度-電場強(qiáng)度遲滯回線都有利于電能的儲存。盡管弛豫行為最初在BaTiO3–BaSnO3體系中被發(fā)現(xiàn),但隨后大部分研究聚焦在基于鉛和基于鉍、沒有鉛的體系中;阢G、沒有鉛的固溶體由于介電常數(shù)適中和擊穿強(qiáng)度高引起了研究者很大的興趣。對于基于鉛的弛豫鐵電體來說,(Pb,La)(Zr,Ti)O3膜有望用于高功率能量的儲存。 圖4 不同尺寸的鈦酸鍶鋇的極化強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的關(guān)系示意圖 (3)反鐵電體電介質(zhì) 反鐵電體有望用于電子器件,這是因?yàn)槠潇o電能密度比鐵電體和線性電介質(zhì)高。更特別的是,它在低電場下介電損失小。因此,反鐵電體能儲存大量電能,放電速率較快。這是穩(wěn)定在電偏壓下以大的交流脈動電流運(yùn)行的電子器件極有吸引力的特征,也是高功率電容器的基本要求。在現(xiàn)在的反鐵電體體系中,PbZrO3基反鐵電體引起了很大的關(guān)注,得到了深入研究。反鐵電體有三種形式:巨大形態(tài)、薄膜、厚膜。巨大形態(tài)的反鐵電體儲能密度低,應(yīng)用在電容器所受到的關(guān)注受到限制。自從使用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)后,得到的反鐵電體的電場強(qiáng)度和可回收的能量密度比使用固相燒結(jié)的要高。反鐵電體膜由于能量密度高,有潛能用于高能量電容器。最近,反鐵電體膜主要聚焦在改性PbZrO3上。大部分改性PbZrO3膜能量密度相當(dāng)高。 2. 結(jié)構(gòu)不均勻的電介質(zhì) (1)陶瓷基電介質(zhì) 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以作為開發(fā)具有令人滿意的儲能性能的電介質(zhì)的方法,例如介電體超晶格、分層結(jié)構(gòu)和核-殼結(jié)構(gòu)。在過去二十年,人工電介質(zhì)超晶格引起了很大的關(guān)注。電介質(zhì)超晶格可能由兩種不同的介電材料或者介電材料和非介電材料層層交替組成,形成所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上,超晶格被廣泛應(yīng)用在薄膜技術(shù)中。分層結(jié)構(gòu)的BaTiO3–SrTiO3體系的燒結(jié)性比BaTiO3和SrTiO3好。這種體系的電子性質(zhì)可以通過電介質(zhì)層的空間構(gòu)型調(diào)控。核-殼結(jié)構(gòu)也可以調(diào)控電介質(zhì)的功能性質(zhì)。先進(jìn)材料的開發(fā)可以通過把核、殼兩種組分的性質(zhì)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。在鐵電陶瓷中加入玻璃粉可以形成核-殼結(jié)構(gòu),適當(dāng)?shù)丶尤氩AЭ梢愿纳苾δ苄阅堋?br /> 圖5 鈦酸鋇和二氧化硅的復(fù)合材料的極化強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的關(guān)系示意圖及其透射電鏡圖像 (2)玻璃基電介質(zhì) 玻璃基陶瓷復(fù)合材料是另一種可用于高能電介質(zhì)的材料。它們把用傳統(tǒng)方法燒結(jié)的反鐵電體陶瓷的特殊性質(zhì)和玻璃的與眾不同的特征結(jié)合起來,前者有利于介電常數(shù)或極化強(qiáng)度的提高,后者有利于介電擊穿強(qiáng)度的提高。 (3)聚合物基電介質(zhì) 和陶瓷相比,聚合物的介電擊穿強(qiáng)度高,這對儲能性能很重要。聚偏二氟乙烯基聚合物由于介電常數(shù)較高被廣泛研究。然而,盡管它的擊穿強(qiáng)度高,但純聚合物的能量密度的進(jìn)一步提高依然受到相對較低的介電常數(shù)的限制,F(xiàn)在有很多方法可以調(diào)控聚合物納米復(fù)合材料的性質(zhì)。 三.儲能性能的影響因素 1. 儲能密度 對于介電材料來說,當(dāng)外部電場場強(qiáng)接近擊穿強(qiáng)度時,儲能密度最高。然而,這通常很困難,只改變材料的一個要素經(jīng)常是不可能的。為了優(yōu)化儲能性能,應(yīng)該通過把擊穿強(qiáng)度和極化強(qiáng)度結(jié)合起來來考慮綜合性能。因此,復(fù)合的概念被引入到材料的設(shè)計(jì)中。 2. 儲能效率 高能儲存的電容器的最佳電介質(zhì)應(yīng)該具備以下幾點(diǎn):極化強(qiáng)度高,剩余極化強(qiáng)度低,擊穿強(qiáng)度高。而且,能量密度高的電容器的其他方面也應(yīng)該滿足先進(jìn)的電子器件的要求。 圖6 納米復(fù)合材料的電場的充電和放電原理圖 【總結(jié)】 用于高能量儲存的介電材料由于獨(dú)特的性質(zhì)引起了研究者們很大的興趣。盡管它們的開發(fā)取得了顯著的進(jìn)展,但挑戰(zhàn)依然存在,包括可滿足介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度高、介電損失小和其它令人滿意的性能的材料的設(shè)計(jì)和加工。從文中可以看出研究者們做了不少嘗試,包括從均質(zhì)結(jié)構(gòu)到異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)、從微觀尺寸到納米尺寸的微觀結(jié)構(gòu)控制和從單介電層到多介電層的器件的設(shè)計(jì)等,但是關(guān)于電介質(zhì)材料的進(jìn)一步發(fā)展還有很長的路要走。 文獻(xiàn)鏈接:Homogeneous/Inhomogeneous-Structured Dielectrics and their Energy-Storage Performances(Adv.Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201601727) 本文由材料人編輯部學(xué)術(shù)組kv1004供稿,材料牛整理編輯。 |
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