中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)不可再生能源的不斷消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴峻，開(kāi)發(fā)和利用高性能、環(huán)保型儲能材料成為當前科技和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。介質(zhì)儲能電容器因其具有功率密度高、充放電速度快、穩定性?xún)?yōu)異和制造成本低等優(yōu)勢，在汽車(chē)電子、通信、航空、航天和尖端技術(shù)等領(lǐng)域顯示出巨大的應用前景。
近年來(lái)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董顯林團隊開(kāi)展了儲能電容器用新型無(wú)鉛介質(zhì)材料的研究工作，并取得系列研究成果。該團隊以鈦酸鋇（BaTiO3）為基體，設計并合成了一種新型高性能BaTiO3基弛豫鐵電體（BaTiO3-Bi(Zn1/2Sn1/2)O3）儲能介質(zhì)材料。通過(guò)在BaTiO3基體中引入Bi(Zn1/2Sn1/2)O3，形成A位、B位離子無(wú)序，破壞了鐵電長(cháng)程有序，將鐵電疇轉化為極性納米微區。利用極性納米微區在外加電場(chǎng)下的快速響應，顯著(zhù)提高材料的儲能密度和儲能效率。該介質(zhì)材料不僅兼具高儲能密度（2.41 J/cm3）和高儲能效率（91.6%），而且其儲能特性還表現出優(yōu)異的溫度（20~160℃）、頻率（1~1000Hz）和疲勞（105次循環(huán)）穩定性，可滿(mǎn)足X8R電容器的要求。相關(guān)研究闡明了儲能特性的高穩定性來(lái)源于極性納米微區的“弱耦合弛豫行為”。該工作以Hot Paper的形式發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C, 2018,6, 8528-8537)上。
小型化和輕量化一直是儲能電容器的重要發(fā)展趨勢。為此，該團隊聚焦尚無(wú)文獻報道的鈮酸鈉（NaNbO3）體系。NaNbO3的體積密度僅為4.55g/cm3，相比鐵酸鉍(8.37g/cm3)、鈦酸鋇(6.02g/cm3)、鈦酸鉍鈉 (5.977g/cm3)等其它無(wú)鉛介質(zhì)材料體系，它在儲能電容器的輕量化方面具有明顯的優(yōu)勢。然而，電場(chǎng)誘導的亞穩態(tài)鐵電性和堿金屬鈉元素揮發(fā)導致的耐電強度低制約了NaNbO3在儲能方面的應用。該團隊先后采用順電體調控和A位空位策略來(lái)增強NaNbO3的儲能特性，構筑了兩種新型的NaNbO3基儲能介質(zhì)陶瓷材料：NaNbO3-SrTiO3和Na1-3xBixNbO3。這兩種NaNbO3基儲能介質(zhì)陶瓷材料均表現出了優(yōu)異的儲能特性、充放電特性及穩定性，其中Na1-3xBixNbO3的綜合儲能特性（儲能密度：4.03J/cm3、儲能效率：85.4%、功率密度：62.5 MW/cm3）為目前文獻報道的最優(yōu)值。該工作為NaNbO3材料開(kāi)辟了新的應用方向，同時(shí)也為設計高儲能無(wú)鉛介質(zhì)材料提供了新的方法和思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2018,6, 17896-17904)和ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10, 12755-12765）上。
以上系列研究工作的論文第一作者是博士研究生周明星，論文共同通訊作者為研究員董顯林和梁瑞虹。
