【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】多層陶瓷電容器(MLCCs)憑借其高功率密度、快速充放電特性和固態(tài)儲(chǔ)能安全性等突出優(yōu)勢(shì)，已成為支撐新能源、電力電子、國(guó)防軍工及高端脈沖功率系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵核心元器件。當(dāng)前，隨著智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、電磁武器以及航空航天等領(lǐng)域?qū)γ}沖功率儲(chǔ)能器件在復(fù)雜工況下性能穩(wěn)定性與可靠性要求的不斷提升，如何在保證器件小型化和高能量密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其在寬溫域、高電場(chǎng)以及長(zhǎng)循環(huán)服役條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，成為電介質(zhì)儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。
針對(duì)上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)基于構(gòu)型熵工程調(diào)控鐵電儲(chǔ)能新理念，提出了一種極化玻璃態(tài)(Polar Glass State，PGS)策略，旨在打破局部鐵電有序，將極性納米微區(qū)(PNRs)轉(zhuǎn)化為晶胞尺度的極化單元，從而增強(qiáng)晶胞范圍內(nèi)的總極性位移(如圖1所示)。通過(guò)抑制由局部自由能最小化所驅(qū)動(dòng)的有序化過(guò)程，避免了材料進(jìn)一步平衡并轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米尺度的極性微區(qū)。在高電場(chǎng)作用下，該策略不僅能夠保持了較大的飽和極化強(qiáng)度，同時(shí)有效減小了剩余極化，這對(duì)于同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的儲(chǔ)能密度(Wrec)和電場(chǎng)不敏感的儲(chǔ)能效率(η)具有重要意義。
圖1：極化玻璃態(tài)策略?xún)?yōu)化儲(chǔ)能特性示意圖
基于PGS策略，利用構(gòu)型熵值為1.88R的高熵陶瓷粉體制備出了具有優(yōu)良的燒結(jié)質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的MLCC原型器件。在1200 kV·cm-1的超高電場(chǎng)強(qiáng)度下，1.88R-MLCC展現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合儲(chǔ)能性能(Wrec≈22.92 J·cm-3，η≈97.1%)，實(shí)現(xiàn)了高儲(chǔ)能密度(大Wrec)與低能量損耗(高?)之間的有效平衡。在800 kV·cm-1的電場(chǎng)強(qiáng)度下，1.88R-MLCC的儲(chǔ)能參數(shù)在25-150 ℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性(Wrec≈14.2±0.6 J·cm-3，Δ?/?≤4%)。此外，1.88R-MLCC的極化行為具有出色的循環(huán)可靠性，其Wrec和η在整個(gè)循環(huán)周期(1-105次，@800 kV·cm-1)的衰減均小于1%(如圖2所示)。
圖2：BNT基MLCC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能性能
進(jìn)一步利用原子級(jí)分辨率的原位球差校正透射電子顯微鏡(AC-STEM)表征技術(shù)，在局域范圍內(nèi)分析了材料結(jié)構(gòu)與溫度之間的關(guān)系，從原子尺度上證實(shí)了極化玻璃態(tài)在30-150 ℃溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定存在(如圖3所示)。
圖3：BNT基MLCC局域結(jié)構(gòu)解析
通過(guò)原位粉末X射線衍射(XRD)、原位X射線全散射技術(shù)(結(jié)合配對(duì)分布函數(shù)PDF分析)的聯(lián)合應(yīng)用，揭示了1.88R-MLCC長(zhǎng)程和短程結(jié)構(gòu)上的溫度穩(wěn)定性。結(jié)合相場(chǎng)建模，探究了該材料極性結(jié)構(gòu)隨溫度變化的演化機(jī)制，驗(yàn)證了疇結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性(如圖4所示)。
圖4：多尺度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析
綜上，該研究提出了一種極化玻璃態(tài)策略，通過(guò)在局域結(jié)構(gòu)、微觀尺度及原型器件設(shè)計(jì)的分層結(jié)構(gòu)工程協(xié)同作用，在BNT基MLCC中實(shí)現(xiàn)了Wrec高于20 J·cm-3，且η超過(guò)95%的性能突破，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和循環(huán)可靠性，該策略為推動(dòng)電介質(zhì)儲(chǔ)能電容器及其相關(guān)功能的發(fā)展提供了一個(gè)可行的范式。
該研究成果以《層級(jí)結(jié)構(gòu)工程Bi0.5Na0.5TiO3基多層電容器中先進(jìn)的穩(wěn)定性和能量存儲(chǔ)特性》(“Advanced stability and energy storage capacity in hierarchically engineered Bi0.5Na0.5TiO3-based multilayer capacitors”)為題，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》(Nature Communications，IF=15.7)在線發(fā)表，西安交通大學(xué)為該論文的第一通訊單位。西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士趙維琛為論文第一作者，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授、徐諦明助理教授、電氣工程學(xué)院劉文鳳教授、北京理工大學(xué)黃厚兵教授和杭州電子科技大學(xué)周濤教授為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、南方電網(wǎng)重大科技項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，西安交通大學(xué)國(guó)際電介質(zhì)研究中心和分析測(cè)試共享中心提供了大量測(cè)試表征支持。
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