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西安交通大学CEJ:高熵工程实现BST基无铅铁电陶瓷的高储能性能

时间：2023-11-18 来源：浏览：

西安交通大学CEJ:高熵工程实现BST基无铅铁电陶瓷的高储能性能

乔文婧等科学材料站

科学材料站

微信号 SCI_Materials_Hub

功能介绍科学材料站是以材料为核心，专注材料合成、表证及应用的知识分享型平台，同时致力于电池，燃料电池，电解水制氢，二氧化碳还原，材料合成与制备等科学研究，致力于为广大用户提供优质的材料、合理的解决方案

收录于合集

#储能 18 个

#电容器 148 个

研究背景

对脉冲功率电器日益增长的需求使得电介质电容器得到了广泛的应用。然而，介电材料低可回收能量密度和较差的能量效率对其进一步发展构成了重大挑战，无法满足电容器市场的巨大需求。因此，提高介电陶瓷的储能性能势在必行，并有望在不久的将来在性能和应用方面取得突破。利用高熵工程设计高性能钙钛矿介质电容器已成为下一代脉冲功率电容器的研究热点。尽管如此，进一步提高其储能密度和效率仍然存在挑战。为了解决这一问题，提出了一种高熵策略，通过增加原子构型熵和延迟极化饱和来改善陶瓷的储能特性。高熵氧化物增加了原子构型熵、原子无序度和晶格畸变，增加了击穿场，提高了储能密度和效率。被证明是设计具有优异储能性能的新型电容器的有效方法。

文章简介

西安交通大学娄晓杰教授课题组 在[0.65(Bi _0.5 Na _0.5 )TiO ₃ -0.35SrTiO ₃ )] (BNST)陶瓷中引入高熵[Ba(Zr _0.2 Ti _0.2 Sn _0.2 Hf _0.2 Nb _0.2 )O ₃ ] [Ba(5M)O]体系获得了7.16 J/cm ³ 的储能密度和93%的储能效率。高熵氧化物的加入细化了电滞回线，延迟了极化饱和。同时增加了原子构型熵、原子无序度和晶格畸变，增大了击穿场，从而提高了储能密度和效率。此外，该材料具有优异的热稳定性(30~150℃)、频率稳定性(5~1000 Hz)和良好的疲劳耐久性(100~105循环)。该研究以 “High-Performance Energy Storage in BNST-Based Lead-Free Ferroelectric Ceramics Achieved Through High-Entropy Engineering” 为题，发表在 《Chemical Engineering Journal》 期刊上。 西安交通大学前沿科学技术研究院 为该研究成果的第一完成单位，博士研究生乔文婧为论文第一作者，娄晓杰教授、朱孝培和胡艳华教授为该论文的共同通讯作者。

图文导读

图1 高熵储能陶瓷设计策略示意图。

图2 (a) 高熵Ba(5M)O掺杂时P-E loop的变化，(b) 储能密度和储能效率随Ba(5M)O含量的变化，(c) Pmax、Pr、ΔP和ΔP/Pmax随Ba(5M)O含量的变化，(d) x = 0.20的P-E loop随电场的变化，(e) x = 0.20的储能密度和效率随电场的变化，(f) x = 0.20的储能密度和效率与其他中熵陶瓷的比较。

图3 (a) x射线衍射图，(b) 放大的(200)峰，(c) 拉曼光谱，(d) x = 0.20时的明场图，(e) [001]c和 (f) [110]c晶格轴上的选区电子衍射。

图4 陶瓷的介电常数随温度的变化。(a) x = 0.10, (b) x = 0.15, (c) x = 0.20, (d) x = 0.25, (e-h) 对应的弥散系数。

图5 (a) Weibull分布得到的(1-x)BNST-xBa(5M)O陶瓷击穿场变化，(b) x = 0.20时的复阻抗谱，(c) lnσ相对于1000/T的Arrhenius图，(d) 所有样品的带隙(Eg)。

图6 200 kV/cm下x = 0.20陶瓷的(a) P-E loop和 (b) 储能密度和储能效率随温度的变化。(c-d) x = 0.20陶瓷的拉曼光谱随温度的变化。200 kV/cm下x = 0.20陶瓷的(e)P-E loop和(f)储能密度和储能效率随频率的变化。(g) P-E loop和(h)储能密度和储能效率的疲劳特性。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147167