【摘 要】
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由于含铅材料易引起环境问题,因此开发使用清洁的新型能源就成了大家目前的研究重点,与此同时,探索具有优越性能的储能设备也迫在眉睫。在目前常见的储能系统中,介电电容器可以同时提供快的充放电速率、高的功率密度和高稳定性,被广泛应用于新能源电车、轻便式移动设备等领域。目前,用于储能电容器的介电材料主要有线性电介质(LD)、铁电(FE)、反铁电(AFE)和弛豫铁电(RFE)材料。在这些材料中,线性电介质的介
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由于含铅材料易引起环境问题,因此开发使用清洁的新型能源就成了大家目前的研究重点,与此同时,探索具有优越性能的储能设备也迫在眉睫。在目前常见的储能系统中,介电电容器可以同时提供快的充放电速率、高的功率密度和高稳定性,被广泛应用于新能源电车、轻便式移动设备等领域。目前,用于储能电容器的介电材料主要有线性电介质(LD)、铁电(FE)、反铁电(AFE)和弛豫铁电(RFE)材料。在这些材料中,线性电介质的介电常数小,不适用于高储能器件;铁电材料通常具有较大的Pmax和适中的电场电阻,但它们的Pr较大,导致其储能密度和储能效率都较低。相对而言,弛豫铁电体因为饱和极化值较大,所以储能能力好;反铁电材料因其极化率大、剩余极化小以及由AFE-FE相变引起的独特双电滞回线而受到广泛关注。目前应用较为广泛的反铁电材料为锆钛锡酸铅镧(PLZST)基陶瓷材料,其拥有较大的储能密度,然而,铅具有毒性且对环境不友好,因此开发出性能良好的无铅反铁电储能材料就成了当前的热点。在各种无铅介质陶瓷中,0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3(0.94NBT-0.06BT)材料具有较大的Pmax,因此被认为是制备环境友好型介电电容器的良好的候选材料,但是它高的剩余极化值严重限制了其储能密度和效率的提升。铌酸银(AgNbO3)无铅反铁电陶瓷因其在储能方面的优异性能,也已成为最有望替代铅基反铁电储能陶瓷的材料之一,但是目前制备AgNbO3主要为固相制备法,此方法存在较多缺陷。总而言之,基于以上提出的问题,我们主要开展了以下三个工作:1.为了获得在宽温域中具有良好储能性能的无铅介电材料,我们将La3+引入到钛酸铋钠-钛酸钡(Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3)中,制备出了[(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06](1-1.5x)LaxTiO3(x=0,0.04,0.08,0.12,0.14)无铅弛豫铁电陶瓷。随着La3+的引入,由于A和B位阳离子的紊乱程度增强,陶瓷的介电弛豫特性更加明显,因此P-E回线变得纤细,剩余极化(Pr)减少。此外,由于La3+在陶瓷中的迁移率低于Na+,因此晶粒尺寸随着La3+含量的增加而减小,这导致陶瓷的击穿强度(Eb)增加。因此,在La3+含量为12 mol%的陶瓷中我们获得了高达1.92 J/cm~3的可释放储能密度(Wrec)和85.7%的储能效率(η)。更重要的是,即使在200℃和155 k V/cm的电场下,这种陶瓷的Wrec和η仍高达1.2 J/cm~3和89.4%,表明该陶瓷具有良好的温度稳定性。2.目前制备AgNbO3主要为固相制备法,但此方法需要多次球磨和高温烧结,过程繁琐,成本较高,而且高温烧结过程中Ag2O存在热力学不稳定性,因此难以控制Ag+离子的还原和金属银的氧化。此外,固相法制备的纯AgNbO3陶瓷晶粒较大,极大地限制了陶瓷击穿场强的提高。相比之下,水热法合成的粉体粒径小、分散性好、活性高,有利于制备细粒陶瓷从而获得高Eb,而且制备过程简单。同时,水热法制备的陶瓷的EA和EF都有所增加,其储能密度也得到了显著提高,因此在粉体制备时长为20 h时,陶瓷获得了高达3.34 J/cm~3的可释放储能密度(Wrec)和54.5%的储能效率(η)。它们还表现出优异的放电性能,放电时间约为0.032μs,功率密度为118.64MW/cm~3,具有良好的实际应用潜力。更重要的是,即使在160℃和250 k V/cm的高电场下,这种陶瓷的Wrec和η仍高达3.11 J/cm~3和60.8%,表明该陶瓷具有良好的温度稳定性。3.普通水热法虽然有利于制备出活性高、粒径小的粉体和性能优异的陶瓷,但是粉体制备时长较长,降低了制备效率。相比之下,微波水热法能够大幅度降低反应保温时间,提升实验效率,而且加热均匀,制备出来的粉体同样活性高、粒径小。因此,在粉体制备时长为6 h时,我们在陶瓷中获得了高达3.82 J/cm~3的可释放储能密度(Wrec)和49.8%的储能效率(η),同时这种陶瓷还展现了良好的疲劳特性和频率稳定性。
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