中國粉體網(wǎng)訊 作為一種重要的儲能電子元件，陶瓷電容器具有放電功率高、溫度穩(wěn)定性好和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在先進電子和電力系統(tǒng)中起著至關重要的作用，特別是在脈沖功率技術領域有著不可替代的應用。當前，電子器件正向小型化、輕型化方向發(fā)展，這也對陶瓷電容器的儲能密度提出了更高的要求。
近日，西安交通大學電信學部徐卓、李飛教授課題組基于鈣鈦礦晶體電致伸縮效應的各向異性特點，提出了一種新的設計思路，即通過控制晶粒取向來降低陶瓷電容器在強場下所產生的應變和應力，避免微裂紋和拉伸應力所導致的陶瓷擊穿，從而提高其擊穿電場強度和儲能密度。相關論文以題為“Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications”發(fā)表在《Nature Materials》。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x
為了實現(xiàn)這一想法，課題組通過近兩年時間的技術攻關，首次合成了取向的鈦酸鍶模板，進而，利用流延—模板法成功制備了織構度達91%的高質量取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構陶瓷電容器，大幅降低了陶瓷在強場下的電致應變，提高了擊穿電場(100 MV m-1)，獲得了高達21.5 J cm-3的儲能密度，這是目前已知陶瓷電容器的最高值。該研究所提出的材料設計思路可廣泛應用于其他電子功能陶瓷，如基于電卡效應的固態(tài)制冷陶瓷等，提高它們在強場條件下工作的穩(wěn)定性和可靠性。
a:Ba6Ti17O40前軀體的電子顯微鏡照片；b:取向鈦酸鍶模板的電子顯微鏡照片
a:取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構陶瓷電容器照片; b:取向NBT-SBT多層織構陶瓷橫截面的電子顯微照片；c:放大后的電子顯微照片; d:取向NBT-SBT陶瓷的晶粒取向分布圖
a:NBT-SBT多層陶瓷應變與電場的關系; b:取向多層陶瓷極化強度與電場的關系；c:織構陶瓷的儲能密度與其他陶瓷材料的對比
該論文的第一作者和通訊作者分別為西安交大電信學部博士后李景雷和教授李飛，共同通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學副教授常云飛和澳大利亞伍倫貢大學教授張樹君。武漢理工大學研究員沈忠慧和西安交大航天航空學院教授李群課題組完成了該論文中的有限元仿真工作。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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