钙钛矿基铁电陶瓷在储能应用的新前景

发布时间：2024-07-22 16:57:21 栏目：精选百科

导读 随着气候变化和资源枯竭的影响不断加剧，介电电容器正成为高性能储能装置的有前途的、备受青睐的候选材料。然而，由于各种介电陶瓷(例如顺...

随着气候变化和资源枯竭的影响不断加剧，介电电容器正成为高性能储能装置的有前途的、备受青睐的候选材料。然而，由于各种介电陶瓷(例如顺电体、铁电体和反铁电体)的缺点，它们的低极化率、低击穿强度和大的磁滞损耗限制了它们在储能陶瓷发展中的独立使用。因此，合成具有高能量密度、高能量效率和低损耗的新型钙钛矿基材料对于实现卓越的储能性能至关重要。



中国农业大学应用物理系罗秉承教授带领的材料科学家团队最近概述了钙钛矿基铁电陶瓷在储能领域的应用现状。钙钛矿基介电电容器因其优异的稳定性、高能量密度、高功率密度、高转换效率、宽工作温度范围、环境友好性和成本效益而备受关注，使其与传统的电化学电容器和电池区别开来。

该团队于 2024 年 4 月 26 日在《先进陶瓷杂志》 上发表了他们的评论。

“在这篇综述中，我们从组合优化调控铁电磁滞回线的角度概述了钙钛矿基铁电储能陶瓷的最新发展，并全面讨论了不同成分组合所产生的特性。此外，我们还提供了该领域的未来指导方针，因此，这篇综述中的组合优化策略将为新型高性能铁电储能器件的应用开辟一条切实可行的途径，”这篇综述论文的资深作者、中国农业大学应用物理系教授罗秉成说道，他于 2018 年在清华大学获得博士学位，随后在剑桥大学担任研究员。

根据介电材料表现出的磁滞回线，介电材料可分为四类：顺电介质(PE)、铁电介质(FE)、弛豫铁电介质(RFE)和反铁电介质(AFE)，每种材料都具有独特的铁电特性。

研究团队介绍了钙钛矿基无铅铁电陶瓷储能性能提升方面取得的进展。“我们从组合优化的角度，将钙钛矿基铁电陶瓷分为七种类型，以定制铁电磁滞回线，并全面讨论不同成分组合所产生的特性。组合优化的理念是在细化电滞回线的同时，最大化击穿强度和最大饱和极化，从而增强钙钛矿基铁电陶瓷的储能性能。”罗秉承说。

这篇综述介绍了钙钛矿基铁电陶瓷的七种组合优化方法，即FE vs. PE组合、FE vs. FE组合、FE vs. AFE组合、AFE vs. PE组合、RFE vs. PE组合、RFE vs. FE组合和RFE vs. AFE组合。罗秉承说：“作为组合优化策略的一个例子，铁电体具有更高的最大饱和极化，顺电体具有更高的击穿强度，两者结合可以形成兼具两种材料优点的RFE，且具有更窄的磁滞回线，长程铁电序将变成极性纳米畴，这将提高陶瓷的储能密度和效率。”

组合优化的理念是最大化发挥各组分的互补优势。一般来说，介电材料中的极化和击穿强度是相互排斥的，一味地增加某一组分的含量并不能使组合获得较高的击穿强度或极化。需要找到极化和击穿强度的最佳平衡点，也就是体系中各组分含量的平衡，定制更优化的磁滞回线，提高储能性能。

该团队预计，他们对组合优化策略的审查不仅将有助于未来高性能无源设备的设计，而且还将为铁电陶瓷的实际应用提供最佳理解和指导。

其他贡献者包括中国地质大学(北京)材料科学与技术学院的戴素伟、吴小文、中国农业大学理学院的李梦阳、三峡集团科技研究院综合能源技术研究中心的吴云毅、北京航空航天大学的李翔以及北京邮电大学的郝亚楠。