材料科学前沿先进介电储能材料陈国华省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

先进介电储能材料Advanced dielectric energy-storage materials陈国华陈国华桂林电子科技大学桂林电子科技大学.07.04.07.04材料科学前沿专题材料科学前沿专题第1页背景（全球环境污染、气候改变）能源问题能源问题?第2页呼唤清洁能源第3页清洁能源代替化石燃料钠离子电池丰田氢燃料电池太阳能电池充电锂离子电池薄膜脉冲储能电容第4页高储能密度介电电容器应用第5页高能量密度介电电容器能够替换电解电容器和聚合物基电容器。最为主要例子是应用到混合混合电动汽车、脉冲激光武电动汽车、脉冲激光武器、枪炮、船舰器、枪炮、船舰。在整流器或逆变器有主要应用：高能量 小型化 长寿命第6页可植入可植入医疗装医疗装置置（经过电击使心脏恢复正常跳动）除颤器经过电击使心脏恢复正常跳动）除颤器激素激素第7页按照能量储存时间长短，储存电能装置普通分为短期和长久按照能量储存时间长短，储存电能装置普通分为短期和长久两类。两类。电池储能特点：1.长久2.高能量密度(10-300W.h/kg),低功率密度(500 W/kg)（电荷输运慢引发）3.主要用于长久稳定能源供给。电容器储能特点：1.短期2.高功率密度(101 106 W/kg：电化学超级电容器；108 W/kg：介电电容器）;小能量密度(30 W.h/kg)3.主要用于脉冲电压或电流供给。第8页传统介电电容器：传统介电电容器：主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而成。主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而成。普通能量密度为普通能量密度为0.01-0.1W.h/kg（2J/cm3）电化学超级电容器：电化学超级电容器：含有适中能量密度，但功率密度仍无法满足超高功率密度电子器件或系统，如电子枪、定向能量武器、激励器等。经常含有复杂物理结构，非常小操作电压（3.0V）、高漏电流（低能量效率）、有限循环寿命（105）。这些缺点限制了在先进脉冲功率系统中应用。假如介电电容器能量密度能提升到电化学超级电容器水平，将会大假如介电电容器能量密度能提升到电化学超级电容器水平，将会大大扩展在脉冲功率系统中应用。并能使电子、电器系统微型化、轻大扩展在脉冲功率系统中应用。并能使电子、电器系统微型化、轻量化和集成化。量化和集成化。第9页介质电容器储能原理第10页介质电容器储能原理第11页介质电容器储能密度（J J）测试方法一：静态法场效应管第12页介质电容器储能密度（J J）测试方法二：动态法 Jreco（绿色)Jstore(绿+红面积）第13页电容器储能效率（）Energy-storage efficiency线性电介质第14页含有高储能密度条件High electric breakdown field(高介电击穿强度高介电击穿强度)Large saturated polarization(大饱和极化大饱和极化)Small remnant polarization(小剩小剩 余极化余极化)经典铁电体经典铁电体反铁电体反铁电体弛豫铁电体弛豫铁电体 顺电体顺电体（线性电介质）（线性电介质）第15页uRelaxor ferroelectrics（弛豫铁电体）（弛豫铁电体）and antiferroelectrics（反铁电体反铁电体）are more likely to be used for high energy storage because of their larger saturated polarization,smaller remnant polarization and moderate breakdown field.uWith development of new manufacturing processes of materials，another two kinds of materials,glass-ceramic（微（微晶玻璃或玻璃陶瓷）晶玻璃或玻璃陶瓷）and polymer-based ferroelectrics（聚（聚合物基铁电体）合物基铁电体）,are also be found to have the potential for application in this area,which combine with the higher breakdown field of linear dielectric and larger polarization of ferroelectrics.理想含有高储能密度材料体系第16页第17页一、反铁电材料体系中能量储存1961年，经典反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3：J1J/cm3，E60kV/cm1971年：65um-thickPbZrO3+SiO2-Bi2O3glass体系，J=2.1J/cm3，X.Haoetal,Mater.Res.Bull.48,84().：30m-thickPb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3antiferroelectricfilmsaddedwithPbOB2O3-SiO2-ZnOglass添加3wt%玻璃厚膜样品Jreco=3.1J/cm3，E=581kV/cm未掺杂玻璃厚膜样品Jreco=1.4J/cm3第18页二、聚合物（聚偏氟乙烯）聚偏氟乙烯）基复合材料体系中能量储存第19页三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中能量储存1.第20页第21页第22页第23页微晶玻璃析晶机理第24页2.第25页第26页第27页3.Our works（）第28页第29页第30页第31页第32页第33页Our works（）第34页第35页第36页The theoretical energy storage densitiesof G1,G2,G3,G4,G5 and G6 heated at800 oC for 3h are 4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1.93 J/cm3,respectively.The actual energy densities calculated from PE hysteresis loops for G1,G2,G3,G4,G5 and G6 are 0.78,0.92,1.01,0.51,0.36,and 0.29 J/cm3 第37页Our works（）Composition of SrOBaONb2O5B2O3CeO2 system glassesSymbolSrOBaONb2O5B2O3CeO2C014.417.632360C114.417.632360.5C214.417.632361C314.417.632361.5C414.417.632362第38页Only one crystalline phase(Sr0.5Ba0.5Nb2O6)for CeO2 from 0.5 to 2mol%Secondary phase SrNb2O6Structural characterization(XRD)850/3h第39页Structural characterization(XRD)第40页Microstructural analysis(SEM)850/3h0mol%CeO2 0.5 mol%CeO2 1mol%CeO2 1.5 mol%CeO2 2 mol%CeO2 第41页Dielectric properties第42页Dielectric breakdown strength(DBS)Weibull plots 850/3h850/3h第43页Energy storage propertiesDischarged energy density:Jd=SABDUnreleased energy density:Ju=SOBDCCharged energy density:Jc=SAOCD第44页Energy storage properties第45页Energy storage propertiesCharged energy storage density(Jc)CeO2=0.5mol%Jcmax=2.74J/cm3 第46页Energy storage propertiesDischarged energy storage density(Jd)CeO2=0.5mol%Jd max=1.95J/cm3 第47页Energy storage propertiesUnreleased energy storage density:Ju=Jc-JdCeO2=0.5mol%Ju max=0.78J/cm3 第48页Energy storage propertiesEnergy efficiency:=Jd/Jc100%All samples:68%第49页Thank you for your attention 第50页