具有优异储能性能与充放电特性的类线性NaNbO_(3)基无铅弛豫反铁电陶瓷

反铁电材料由于电场诱导的反铁电-铁电相变而在高性能介质储能电容器应用中显示出极大的潜力。然而,场致相变带来大的极化滞后使得反铁电材料难以同时获得高储能密度(Wrec)和高储能效率(η)。本工作通过在0.76NaNbO_(3)-0.24(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)中引入第三组元Bi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)调控其弛豫特性,改善了NaNbO_(3)基无铅反铁电陶瓷的储能性能。采用传统固相合成法制备了(0.76–x)NaNbO_(3)-0.24(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)-xBi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)无铅弛豫反铁电陶瓷材料,并研究了该材料的相结构、微观形貌以及介电、储能和充放电特性。结果表明,引入Bi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)在不改变基体反铁电正交R相结构的基础上明显增强了陶瓷的介电弛豫特性,显著减小了陶瓷的极化滞后性。特别是在x=0.050组成中实现了具有极低滞后的类线性电滞回线。同时,陶瓷的显微形貌还得到明显改善,介电常数降低,击穿场强显著提高。因此,x=0.050的组成在30 kV/mm的中等电场下同时获得了高的储能密度Wrec=3.5 J/cm^(3)与储能效率η=93%。此外,x=0.050组成还显示出优异的充放电特性,在20 kV/mm下具有高功率密度PD=131(1±1%)MW/cm^(3)、高放电能量密度WD=1.66(1±6%)J/cm^(3)以及快的放电速率t0.9<290 ns。该充放电特性在25~125℃的宽温区内保持良好的稳定性。这些研究结果表明,0.71NaNbO_(3)-0.24(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)-0.050Bi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)陶瓷是一种非常有应用潜力的高功率储能电容器介质材料。

PVDF基储能电介质的设计及性能调控相关进展

聚合物基介电电容器因具有击穿场强高、介电损耗低、自愈性好以及良好的可加工性等优势,成为了电子电力系统中重要的储能元器件。然而,聚合物的相对介电常数和放电能量密度较低,极大地限制了聚合物基固态电容器向小型化方向发展。因此,提高聚合物相对介电常数,研发高放电能量密度和高储能效率的聚合物基电容器成为了迫切需求。聚偏二氟乙烯(PVDF)以其良好的介电性能和较高的放电能量密度成为研究的热点。本文从电介质的储能原理出发,综述了近年来PVDF基纳米复合电介质材料的设计及其性能调控的主要方案:(1)聚合物+无机高介电纳米填料;(2)聚合物+无机低介电纳米填料;(3)聚合物+金属纳米粒子。本文为进一步提高聚合物基电介质的储能性能提供了重要参考。

Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)异质结薄膜储能性能的影响

为了提高Pt/PbZrO_(3)/Pt电介质电容器的储能密度,通过热蒸镀和自然氧化方法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si基板上沉积了厚度为0~10 nm的Al_(2)O_(3)(AO)层,采用化学溶液沉积法制备PbZrO_(3)薄膜,研究了Al_(2)O_(3)层厚度对PbZrO_(3)/Al_(2)O_(3)(PZO/AO)异质结薄膜储能性能的影响。结果表明:随着AO层厚度的增加,PZO/AO异质结薄膜的击穿电场强度逐渐增大,极化电场电滞回线由反铁电特征转变为铁电特征。当PZO/AO异质结薄膜的AO层厚度为5 nm时,储能密度最大值为21.2 J/cm^(3)。

氮化铝绝缘层改性的聚偏氟乙烯基复合薄膜储能性能研究

聚偏氟乙烯(poly(vinylidene fluoride),PVDF)及其共聚物因具有高介电常数而备受关注,然而高电场下严重极化损耗和电导损耗限制了其更广泛的应用。在该研究中,应用磁控溅射技术将氮化铝(aluminum nitride,AlN)薄层沉积到聚(偏氟乙烯–三氟乙烯–氯氟乙烯)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene),P(VDF-TrFE-CFE),PVTC)薄膜表面,并制备三明治结构复合薄膜AlN/PVTC/AlN(APA)和多层复合薄膜AlN/PVTC/AlN/PVTC/AlN(APAPA)。系统地研究AlN薄层对PVTC薄膜储能性能的影响规律。实验结果表明,APAPA复合薄膜表现出较优异的介电和储能特性,其相对介电常数达到11.28(103Hz),是纯PVTC的1.49倍,介电损耗仍保持较低水平(tanδ=0.016)。此外,施加530kV/mm电场时,薄膜储能密度和效率分别达到16.62J/cm^(3)和63.8%,明显优于纯PVTC薄膜。由于宽禁带AlN薄层可以抑制电极处电荷注入及其在薄膜内部传输及热压工艺导致复合薄膜的晶相转变,使储能性能得到提升。该文所作研究为提高含氟铁电聚合物薄膜的储能性能提供一种表面改性方法。

(1-x)PbZrO_(3)-xBaTiO_(3)薄膜的制备及储能性能

电介质电容器在脉冲功率领域具有广阔的应用前景,其储能密度和储能效率的提高是目前研究的热点。通过PbZrO_(3)(PZO)和BaTiO_(3)(BTO)两相固溶的方式,制备(1-x)PZO-xBTO(x为0、0.1、0.2、0.3和0.4)固溶体薄膜,旨在提高介电强度,从而改善其储能密度和储能效率。结果表明:随着BTO含量增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,且薄膜由反铁电体逐渐转变为弛豫铁电体,导致其介电强度提高。当x=0.3时,(1-x)PZO-xBTO薄膜具有最大的可恢复储能密度,为11.62 J/cm^(3),较纯PZO薄膜提高了31.6%。当x=0.4时,薄膜储能效率达到62.3%,较纯PZO薄膜提高了62.7%。

聚吡咯导电材料制备及性能评价综合实验设计

基于学科交叉的综合实验设计,是满足工程教育认证标准和新工科建设要求的必要环节。将电化学和能源材料化学实验进行整合,面向能源化工方向本科生设计了涵盖聚吡咯的制备、分子结构分析和热稳定性表征、储能性能评价及影响因素解析的综合性专业实验。实验设计充分体现了能源材料开发和利用专业特色,同时有效地将科学研究与本科实验教学相结合,提升学生的综合素质和科研创新能力,激发学生探索前沿知识的兴趣,从而实现应用型人才的培养目标。

氧化铝包覆SrTiO_(3)纳米纤维/聚偏氟乙烯复合材料的制备与介电储能性能

目的通过开发出工作场强更高、储能效率更高的电介质储能材料,从而提高电力设备的性能、减小电力设备体积。方法采用静电纺丝工艺结合溶胶凝胶工艺制备具有一维核壳结构的SrTiO_(3)@Al_(2)O_(3)纳米纤维填料,并结合流延成型工艺制备出聚偏氟乙烯(PVDF)电介质复合材料。系统地研究了SrTiO_(3)纳米纤维填料表面包覆Al_(2)O_(3)对PVDF电介质复合材料界面极化、介电性能、储能性能的影响。结果制备的一维纳米填料具有良好的核壳结构,其中芯层为SrTiO_(3),壳层为Al_(2)O_(3),Al_(2)O_(3)包覆厚度为6 nm。低填充量下,一维核壳结构SrTiO_(3)@Al_(2)O_(3)纳米纤维填料均匀地分散在PVDF基体中。在相同的体积分数填料填充下,SrTiO_(3)@Al_(2)O_(3)纳米纤维/PVDF复合材料表现出更低的介电损耗和漏电流、更强的耐击穿场强、以及更高的储能密度和放电效率。SrTiO_(3)@Al_(2)O_(3)纳米纤维/PVDF电介质复合材料的最大储能密度达到8.9 J/cm^(3)。结论Al_(2)O_(3)包覆层可以阻止SrTiO_(3)纳米纤维填料在复合材料中的接触,减小Maxwell-Wagner-Sillars界面极化,降低漏电流,进而提高复合材料薄膜的击穿强度和储能性能。

Tm^(3+)对AgNbO_(3)反铁电陶瓷微结构和储能性能的影响

AgNbO_(3)无铅反铁电材料作为一种极具潜力的电介质储能材料,近年来受到了广泛的关注。然而,储能密度和储能效率较低,限制了它的应用。本工作研究了Tm^(3+)对AgNbO_(3)陶瓷的微结构、介电性、铁电性和储能性能的影响。结果表明,Tm^(3+)取代AgNbO_(3)陶瓷A位的Ag^(+),具有明显的细化晶粒的作用,增强了反铁电相的稳定性,使其储能性能显著提升。反铁电相稳定性的增强是由于Tm^(3+)的引入降低了结构的容差因子和产生了Ag空位,破坏了阳离子位移和氧八面体倾斜等长程相互作用的结果。AgNbO_(3)-0.1%(原子分数)Tm_(2)O_(3)陶瓷在200 kV/cm下表现出优异的储能性能(可回收储能密度为3.32 J/cm^(3),储能效率为62.5%),在高功率脉冲电子器件中具有潜在的应用前景。

稀土离子掺杂0.6BaTiO_(3)-0.4Bi(Mg_(1/2)Ti_(1/2))O_(3)陶瓷的储能性能研究

弛豫铁电陶瓷由于优异的介电和储能性能,在陶瓷储能电容器中具有较大的应用潜力。本文采用固相烧结法制备了0.05 mol Nd^(3+)、Sm^(3+)和Gd^(3+)稀土离子掺杂的0.6BaTiO_(3)-0.4Bi(Mg1/2Ti1/2)O3陶瓷。结果表明,所有陶瓷均表现为典型的弛豫铁电体,其中Nd^(3+)掺杂的陶瓷样品具有最小的介电损耗,获得了最大的击穿场强(350 kV/cm)和储能效率(94.38%);Gd^(3+)掺杂的陶瓷样品具有最大的介电常数,获得了最高的可恢复储能密度(4.33 J/cm^(3))。

基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究进展

聚合物薄膜电容器具有功率密度高、释放瞬时电流大、成本低以及易加工等优点,在电气装备与电子器件中有着广泛应用。近些年,聚合物电容薄膜研究材料体系不断丰富,纳米/微纳米功能填料复合、聚合物分子链结构控制、介观/宏观多层界面设计等方法均显著提升了聚合物薄膜的放电能量密度和充放电效率。其中,基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究得到了极大关注。论文综述了具有多层结构聚合物储能介质研究领域的最新进展,系统地介绍了多层结构设计对复合薄膜极化、击穿和高温电导等特性的影响机制,并从纳米复合多层结构、全有机多层结构和耐高温多层结构3个方面总结提高储能性能的方法。最后,对基于多层结构设计的复合薄膜未来发展做出简要展望。

聚丙烯纳米复合电介质的陷阱分布特性与储能性能提升研究

为探究纳米复合电介质的陷阱分布特性及其对储能性能的提升机理,本文制备三种聚丙烯纳米复合电介质,并测试其理化、介电及储能特性。测试结果表明,掺杂氮化硼纳米片的试样具有更高的熔融温度、结晶度、极化强度、电阻率、击穿强度及储能密度。分析发现,聚丙烯纳米复合电介质电导率的电场依赖性符合指数陷阱下的跳跃电导模型,其温度依赖性满足Meyer-Neldel补偿规则,这表明纳米复合电介质中的指数型分布陷阱与基体的机理相同。同时,拟合结果表明纳米掺杂主要改变最深陷阱能级,其与结晶度成正比,并基于缨状微束模型解释了陷阱能级增大和储能密度提升的机理。纳米粒子引入的有序紧密的界面区会束缚分子运动,进而阻碍电荷输运和能量积累,表现为电导率下降和击穿强度提高,最终实现储能性能的提升。

离子交联型石蜡基导热增强定型相变材料的制备及其性能

对石蜡(PA)进行接枝改性、自乳化得到PA乳液。在乳液颗粒形态下将接枝产物分散在乳化层,常温条件下通过乳液颗粒间的空间分布及离子交联,对导热材料形成内锁、铆结,并加Cu粉增强导热制备了PA基导热增强定型相变材料(记作PA@Cu),与定量PA于80℃浸渍吸附20 min,得到吸附PA的PA@Cu(记作PA@Cu-PA),并研究了其元素结构、表观形貌、相变焓、导热性能、热稳定性。结果表明:当Cu粉用量为16 g时,PA@Cu-PA导热系数0.468 W/(m·K),结晶焓-133.27 J/g,在85℃时无明显泄漏,热分解温度384.5℃,储能性能与热稳定性能良好。

电极材料制备及储能性能综合实验

设计了超级电容器储能电极活性物质的制备及电极储能性能研究的综合性实验,实验设计了材料制备-电极制备-储能应用的完整电极生产应用流程,并涵盖了多个化工单元操作,强化学生对纳米材料结构与性能间构效关系的认识,实现对理论知识和实验数据的综合性理解分析。通过实验,学生的科研意识、实验动手及团队合作能力得到有效提高。

碳纳米管网/聚苯胺复合材料的制备及电化学储能性能

分别采用粉末碳纳米管(CNT)和带连接点的碳纳米管网(CNTN)为模板,通过与聚苯胺(PANI)有限域聚合得到了CNT/PANI和CNTN/PANI 2种复合材料.采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜对材料的形貌进行了表征,采用氮气吸附-脱附分析研究了材料的孔结构参数,运用双电四探针测试仪对材料的导电性能进行了测试,利用恒流充放电、循环伏安、循环寿命及交流阻抗等电化学测试手段表征了材料的电化学储能性能.结果表明,CNTN/PANI复合材料比CNT/PANI复合材料表现出更好的导电性能和电化学储能性能,其放电比容量可达到143.2 F/g(有机电解液).

三水合醋酸钠相变储能性能研究

三水醋酸钠(CH_3COONa·3H_2O)由于其潜热较高而常作为相变储能材料被众多学者研究,而其适宜的熔点使其能适用于家用热水储能系统等。然而,三水舍醋酸钠在相变过程中存在严重的过冷和相分离问题。以三水合醋酸钠作为相变基体材料,着重研究添加成核剂、增稠剂后体系在反复热循环过程中的相变储能性能。

氢氧化镍超级电容器电极材料储能性能研究

用水热法制备了氢氧化镍超级电容器电极材料,在对它的形貌、充放电电流等进行测试分析的基础上,应用速度反应理论,得到材料的充电电流强度和储能量与材料性质和充电时间等的关系.结果表明:材料的充电电流强度和储能量均随充电时间的增长而非线性地增大,其变化情况与反应物和生成物的化学势以及温度有关.理论与实验结果基本符合.

SrCO_3掺杂对PMN-PMnN-PZT-Ce压电陶瓷储能及介电弛豫性能的影响

通过铌铁矿先驱法制备了Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(Mn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbZrO_3-PbTiO_3+0.3%CeO_2(质量分数)+xSrCO_3(PMN-PMnN-PZT-Ce-xSr,x=0.00,0.03,0.05,0.07)四元系压电陶瓷,研究了SrCO_3含量的变化对Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(Mn_(1/3)-Nb_(2/3))O_3-PbZrO_3-PbTiO_3+0.3%CeO_2(质量分数)(PMN-PMnN-PZT-Ce)压电陶瓷相结构、储能密度以及弛豫行为的影响。通过XRD表明,样品为单一稳定的钙钛矿结构,并且存在准同晶界(MPB);当x=0.07时,在外加电场60kV/cm下取得较好的储能性能:储能密度W1=0.31J/cm^3,储能效率η=0.47;通过修正Curie-Weise定律,较好地描述了陶瓷弥散相变的特征,弥散相变系数γ随着Sr^(2+)掺杂量的增加而增加。当x=0.07时,γ取得最大值1.972 8,此时弛豫现象最明显。

CH_3COONa·3H_2O相变储能性能研究

三水醋酸钠(CH3COONa.3H2O)由于潜热较高而常作为相变储能材料被众多学者研究;而其适宜的熔点,使其能适用于家用热水储能系统等。然而,三水合醋酸钠在相变过程中存在着严重的过冷和相分离的问题。本文以三水合醋酸钠作为相变基体材料,经研究、比较分别以羧甲基纤维素、明胶作为增稠剂,添加各种成核剂后的各体系的相变储能性能,从而得出羧甲基纤维素比明胶作为该体系的增稠剂的效果好得多,Na2SiO3.9H2O、Na2B4O7.10H2O的成核效果较好。

Zr掺杂对反铁电陶瓷(Bi_(0.47)Na_(0.47)Ba_(0.06))(La_(1-x)Zr_x)TiO_3储能性能的影响

采用传统固相反应制备无铅反铁电陶瓷材料(Bi0.47Na0.47Ba0.06)(La(1-x)Zrx)TiO3(BNT-LZT,x=0、0.02、0.04、0.06),研究了材料的相结构、介电特性及储能性能。结果表明:此陶瓷的极化强度Ps、Pr、介电常数εr,随Zr含量的增加而减小,能量储存性能也随之改变。P-E电滞回线显示,当x=0.02时,此材料的Pmax为37.5μC/cm2,Wmax为1.58 J/cm3,电场强度Ec为83.4 kV/cm。BNT-LZT材料是很有前景的无铅反铁电储能材料。

Zr掺杂对反铁电陶瓷[(Bi_(1/2)Na_(1/2))_(0.94)Ba_(0.06)]_(1-x)Zr_xTiO_3介电及储能性能的影响

采用传统固相反应制备无铅反铁电陶瓷材料[(Bi1/2Na1/2)0.94Ba0.06](1-x)ZrxTiO3(x=0,0.03,0.06,0.09),研究材料的相结构、介电特性及储能性能。结果表明:此陶瓷的极化强度Ps、介电常数εr,随着Zr含量的增加而减小,能量储存性能也随之改变。P-E电滞回线显示,当x=0.03时,此材料的储能性能最好。