材料科学前沿-先进介电储能材料(陈国华).ppt

先进介电储能材料Advanceddielectricenergy storagematerials 陈国华桂林电子科技大学2015 07 04 材料科学前沿专题 背景 全球环境污染 气候变化 能源问题 呼唤清洁能源 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 高储能密度介电电容器应用 高能量密度介电电容器可以替代电解电容器和聚合物基电容器 最为重要的例子是应用到混合电动汽车 脉冲激光武器 枪炮 船舰 在整流器或逆变器有重要应用 高能量小型化长寿命 可植入的医疗装置 通过电击使心脏恢复正常跳动的 除颤器 激素 按照能量储存时间长短 储存电能的装置一般分为短期和长期两类 电池储能特点 1 长期2 高能量密度 10 300W h kg 低功率密度 500W kg 电荷输运慢引起 3 主要用于长期稳定的能源供应 电容器储能特点 1 短期2 高功率密度 101 106W kg 电化学超级电容器 108W kg 介电电容器 小的能量密度 30W h kg 3 主要用于脉冲电压或电流的供应 传统的介电电容器 主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而成 一般能量密度为0 01 0 1W h kg 2J cm3 电化学超级电容器 具有适中的能量密度 但功率密度仍无法满足超高功率密度的电子器件或系统 如电子枪 定向能量武器 激励器等 常常具有复杂的物理结构 非常小的操作电压 3 0V 高的漏电流 低的能量效率 有限的循环寿命 105 这些缺点限制了在先进脉冲功率系统中的应用 如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级电容器的水平 将会大大扩展在脉冲功率系统中的应用 并能使电子 电器系统微型化 轻量化和集成化 介质电容器的储能原理 介质电容器的储能原理 介质电容器的储能密度 J 测试方法一 静态法 场效应管 介质电容器的储能密度 J 测试方法二 动态法 Jreco 绿色 Jstore 绿 红面积 电容器的储能效率 Energy storageefficiency 线性电介质 具有高储能密度的条件 Highelectricbreakdownfield 高介电击穿强度 Largesaturatedpolarization 大的饱和极化 Smallremnantpolarization 小的剩余极化 典型铁电体 反铁电体 弛豫铁电体 顺电体 线性电介质 Relaxorferroelectrics 弛豫铁电体 andantiferroelectrics 反铁电体 aremorelikelytobeusedforhighenergystoragebecauseoftheirlargersaturatedpolarization smallerremnantpolarizationandmoderatebreakdownfield Withdevelopmentofnewmanufacturingprocessesofmaterials anothertwokindsofmaterials glass ceramic 微晶玻璃或玻璃陶瓷 andpolymer basedferroelectrics 聚合物基铁电体 arealsobefoundtohavethepotentialforapplicationinthisarea whichcombinewiththehigherbreakdownfieldoflineardielectricandlargerpolarizationofferroelectrics 理想的具有高储能密度的材料体系 一 反铁电材料体系中的能量储存 1961年 典型的反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3 J 1J cm3 E 60kV cm1971年 65um thickPbZrO3 SiO2 Bi2O3glass体系 J 2 1J cm32013年 X Haoetal Mater Res Bull 48 84 2013 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 未掺杂玻璃的厚膜样品Jreco 1 4J cm3 二 聚合物 聚偏氟乙烯 基复合材料体系中的能量储存 三 微晶玻璃 玻璃 陶瓷 材料体系中的能量储存 1 微晶玻璃的析晶机理 3 Ourworks Ourworks ThetheoreticalenergystoragedensitiesofG1 G2 G3 G4 G5andG6heatedat800oCfor3hare4 88 5 27 5 71 3 09 2 27 and1 93J cm3 respectively TheactualenergydensitiescalculatedfromP EhysteresisloopsforG1 G2 G3 G4 G5andG6are0 78 0 92 1 01 0 51 0 36 and0 29J cm3 Ourworks CompositionofSrO BaO Nb2O5 B2O3 CeO2systemglasses Onlyonecrystallinephase Sr0 5Ba0 5Nb2O6 forCeO2from0 5to2mol SecondaryphaseSrNb2O6 Structuralcharacterization XRD 850 3h Structuralcharacterization XRD Microstructuralanalysis SEM 850 3h 0mol CeO2 0 5mol CeO2 1mol CeO2 1 5mol CeO2 2mol CeO2 Dielectricproperties Dielectricbreakdownstrength DBS Weibullplots 850 3h 850 3h Energystorageproperties Dischargedenergydensity Jd SABDUnreleasedenergydensity Ju SOBDCChargedenergydensity Jc SAOCD Energystorageproperties Energystorageproperties Chargedenergystoragedensity Jc CeO2 0 5mol Jcmax 2 74J cm3 Energystorageproperties Dischargedenergystoragedensity Jd CeO2 0 5mol Jdmax 1 95J cm3 Energystorageproperties Unreleas