稀土掺杂钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷制备与储能行为

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面对日益严重的环境污染、能源危机,开发新型环保的能源材料势在必行。而在众多的储能设备中,无铅储能陶瓷电容器由于具有功率密度高、充/放电速度快以及使用寿命长等特点,在脉冲功率电子领域中得到广泛的应用。但是陶瓷电容器的储能密度和储能效率低下的问题,严重阻碍了它们的实际应用。因此,开发具有高储能密度和储能效率的陶瓷电容器,以推动储能领域的发展,具有非常重大的意义。本论文以钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5Ti O3)基铁电材料为研究对象,采用流延法陶瓷制备技术,制备出结构均匀致密的陶瓷材料。并对陶瓷的微观结构、介电响应、弛豫行为、储能特性和充放电性能方面进行系统研究,以期望获得高性能的储能陶瓷设计方法及储能性能优化策略。首先,成功制备了高储能密度和良好充放电性能的Sm3+掺杂的Na0.5Bi0.5Ti O3-Sr Ti O3(缩写为NBT-ST)无铅弛豫铁电陶瓷。通过在NBT-ST陶瓷中引入稀土Sm3+,实现了结构上的协同增强效应。稀土Sm3+的引入,不仅减小了陶瓷的晶粒尺寸,而且调控了陶瓷的畴结构,使得陶瓷的击穿强度提高、弛豫特性增强。当Sm3+的掺杂量为0.2mol时,NBT-SST无铅弛豫铁电陶瓷获得3.81 J/cm~3的可释放储能密度和84.7%的储能效率。同时,NBT-SST陶瓷还拥有135 MW/cm~3的功率密度和89 ns的放电速度。在电阻-电感-电容(R-L-C)的回路中,该组分陶瓷有2.08 J/cm~3的最大放电能量密度。其次,基于组分设计和晶粒尺寸工程,在NBT-SST弛豫铁电陶瓷的基础上,引入第三组元La(Mg2/3Nb1/3)O3(LMN)进行改性。LMN的引入进一步细化了NBT-SST陶瓷的晶粒尺寸,改善了漏电及介电性能,使得陶瓷的击穿强度得到有效提升。在LMN掺杂比例为0.03时,NBT-SST-LMN陶瓷获得5.94 J/cm~3的可释放储能密度和86.9%的储能效率。同时,NBT-SST-LMN陶瓷还拥有1452 A/cm~2的巨大电流密度和275 MW/cm~3的功率密度。而且,在380 k V/cm的电场强度下,NBT-SST-LMN陶瓷获得65 ns的放电速度和3.9 J/cm~3的放电能量密度。最后,选取具有优异储能性能的NBT-SST-LMN陶瓷组分,制备了0.97(NBT-SST)-0.03LMN多层陶瓷电容器(MLCC)。在780 k V/cm的电场强度下,该电容器获得10.1 J/cm~3的可释放储能密度和81.4%的储能效率。综上所述,本论文在NBT-SST基础上引入第三组元LMN的策略,获得了高的可释放储能密度和储能效率的无铅陶瓷电容器,有希望在脉冲功率电子领域中发挥重要作用。
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