電介質(zhì)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換

介電材料的靜電電容器是一種容納電荷、存儲(chǔ)電能的器件，廣泛應(yīng)用于電路中的隔直通交、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧、控制等方面，并由于其具有極高的功率密度（104~108 W/kg）而被廣泛應(yīng)用于脈沖功率裝置（如醫(yī)療除顫器、工業(yè)激光器）中，尤其是隨著新能源的發(fā)展，在光伏/風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、新能源電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，相比于其它電能存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換材料（如電化學(xué)電容器、燃料電池），電介質(zhì)儲(chǔ)能密度較低，很多應(yīng)用場(chǎng)景下需要構(gòu)筑體積笨重的電容器以獲得足夠的電容量。因此，迫切需要研發(fā)具有高儲(chǔ)能密度、高效率的電介質(zhì)儲(chǔ)能材料。

本研究室重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)陶瓷介電材料這兩類(lèi)重要的電容器電介質(zhì)材料。它們表現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點(diǎn)。柔性的聚合物介電材料成本低、易加工、耐高電壓，但是介電常數(shù)低、熱穩(wěn)定性差；而無(wú)機(jī)陶瓷電容器有較高的使用溫度、介電常數(shù)較大，但是擊穿強(qiáng)度較低。

1、主要研究?jī)?nèi)容：

1）聚合物基介電儲(chǔ)能材料：通過(guò)流延、熱壓等方法制備聚合物基電介質(zhì)薄膜材料，利用有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合、分層界面設(shè)計(jì)、聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及化學(xué)改性等策略，探索偶極子活性、電擊穿行為、電導(dǎo)及力學(xué)等性能的調(diào)控原理，優(yōu)化介電常數(shù)、擊穿強(qiáng)度、絕緣等特性，探索實(shí)現(xiàn)常溫能量密度優(yōu)于商用電化學(xué)電容器的電介質(zhì)材料；結(jié)合新型耐高溫聚合物的設(shè)計(jì)、高熱導(dǎo)材料對(duì)熱穩(wěn)定性的優(yōu)化等方法，探索實(shí)現(xiàn)高溫>150 ℃下性能優(yōu)于商用BOPP室溫性能的可擴(kuò)展、可小型化高溫聚合物基電介質(zhì)材料。

2）無(wú)機(jī)電介質(zhì)材料介電儲(chǔ)能：基于脈沖通電加壓燒結(jié)、脈沖激光沉積等方法分別制備無(wú)機(jī)陶瓷塊體及薄膜電介質(zhì)材料，基于界面、成分、電疇形態(tài)、微結(jié)構(gòu)等對(duì)順電、鐵電、反鐵電及其共存下的電極化特性（極化強(qiáng)度、操作電壓、廻滯大小、重復(fù)性、穩(wěn)定性等）的調(diào)控，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)耐擊穿、高介電、高效率、長(zhǎng)壽命的高儲(chǔ)能密度無(wú)機(jī)電介質(zhì)材料。

2、已取得的研究進(jìn)展包括：

1）聚合物基介電儲(chǔ)能：

①通過(guò)控制熱化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程并摻入少量高熱導(dǎo)率的氮化硼納米片，獲得高性能、耐高溫PI-PAA基復(fù)合材料，在高溫電容器實(shí)際工作條件（150 °C, 200 MV/m）下，儲(chǔ)能密度達(dá)到~1.38 J/cm3（商用BOPP室溫性能的3.5倍），效率高于96%，且在經(jīng)歷20000次循環(huán)充放電測(cè)試以及35天高溫耐受性測(cè)試后儲(chǔ)能性能沒(méi)有下降。

②提出了一種普適的可行策略提高有機(jī)復(fù)合材料介電性能，即利用帶負(fù)電無(wú)機(jī)填料的局域反向電場(chǎng)抑制二次碰撞電子的產(chǎn)生，從而阻礙擊穿相的形成發(fā)展，進(jìn)而提升擊穿場(chǎng)強(qiáng)和儲(chǔ)能密度?；诖?，制備出摻入少量帶負(fù)電的2維Ca2Nb3O10填料的PVDF、PS基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)與儲(chǔ)能密度的大幅提升。

2）無(wú)機(jī)介電儲(chǔ)能：

①利用磁控濺射技術(shù)制備了Au/SrTiO3/La0.67Sr0.33MnO3電容器，實(shí)現(xiàn)了SrTiO3/La0.67Sr0.33MnO3界面處離子互擴(kuò)散對(duì)局域電場(chǎng)分布的優(yōu)化，結(jié)合界面處氧空位遷移造成的高界面勢(shì)壘降低了載流子注入，大幅提高了電容器的擊穿場(chǎng)強(qiáng)至660 MV/m和可循環(huán)能量密度至307 J/cm3，同時(shí)儲(chǔ)能效率依然高達(dá)89%。

②利用脈沖通電加壓燒結(jié)制備了具有納米晶粒結(jié)構(gòu)的(Na,K)(Sb,Nb)O3-SrZrO3-(Bi0.5Na0.5)ZrO3弛豫鐵電陶瓷，具有不同局域?qū)ΨQ(chēng)性的極性納米微區(qū)由于相互競(jìng)爭(zhēng)而在電場(chǎng)下只發(fā)生連續(xù)取向而不發(fā)生有效長(zhǎng)大，從而降低了極化滯后，在高儲(chǔ)能效率~90%下實(shí)現(xiàn)了高儲(chǔ)能密度~13.1 J/cm3、高功率密度~700 MW/cm3和快速放電<40 ns。

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