【能源】超高储能密度无铅多层陶瓷电容器

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

陶瓷基多层电容器具有高能量功率和极速的充放电速率，广泛应用于医疗、交通和脉冲功率器件等领域。相对于聚合物或玻璃基储能电解质材料，尽管陶瓷基电容器拥有较好的温度稳定性和高极化强度等优势，但目前面临的主要问题是低能量转换效率以及低材料击穿场强而导致较低的能量储存密度。近些年来，针对无铅反铁电或铁电陶瓷基材料，科学家们通过掺杂或者固溶的方法，努力在尽可能较少降低极化强度的同时，极大提高能量转换效率和击穿场强。但和聚合物基储能材料相比，过低的材料本征击穿场强极大限制了陶瓷基电介质储存电能的能力。因此，在保持高极化强度和充放电速率的同时，能否控制并提高陶瓷基材料本征的击穿场强，成为是否能获得高储能密度陶瓷基材料的关键。

英国谢菲尔德大学的王大伟博士和Ian M Reaney教授课题组针对上述问题，巧妙运用三元固溶，控制电性能的均匀性，制备出一种化学性能不均匀但电性能均匀且阻抗高的高储能密度陶瓷，并且更进一步利用流延机等设备制备出多层陶瓷电容器。该课题通过在BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT)陶瓷中固溶第三元Nd(Zn0.5Zr0.5)O3 (NZZ)达到铁电材料向弛豫性铁电材料相结构的转变，保持其极化强度的同时极大提高能量转换效率。从化学结构来看，NZZ掺杂的BF-BT由于烧结过程中的化学偏析会形成大面积不均匀的核壳结构（内核Bi/Fe过量和外壳Ba/Ti过量）。与此同时，他们通过运用电化学阻抗谱来揭示掺杂对陶瓷本征电学微观结构的改变，发现不掺杂或少量掺杂NZZ的BF-BT陶瓷在高频部分出现阻抗极低电导极高的部分，并且陶瓷本征阻抗很低，从而导致击穿场强很低；而对于掺杂8%的NZZ组分，虽然化学结构上出现不均匀的核壳结构，但电性能非常均匀且本征阻抗达到未掺杂的两倍以上，从而获得极高的击穿场强。

对于陶瓷本征击穿场强，相对于化学结构的不均匀性，电性能均匀性及陶瓷本征阻抗更为重要。不均匀的电性能意味着陶瓷在加载高电场的过程中，电流更倾向于流通在导电的区域，进而使陶瓷材料难以承受高载电场而击穿。相反，电性能均匀的陶瓷组分则可以避免异常电流导通，使陶瓷在高压下更接近本征击穿场强。而陶瓷材料本征阻抗则更直观地表征材料本身耐高压加载的能力，也就是说，高阻抗意味着本征击穿场强更高。这一发现使得击穿场强得以通过阻抗谱来量化并可控。在设计并制备出电性能均匀且高阻抗的陶瓷组分后，多层陶瓷能量储存电容器的击穿场强达到700 kV/cm，储能密度高达10.5 J/cm3，该性能在已报道的无铅陶瓷能量储存电容器中处于最高水平。研究工作不仅进一步推进高储能无铅陶瓷的发展，更重要的是提供了一种量化可控提高电介质击穿场强的新方法。

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者和通讯作者分别是英国谢菲尔德大学的王戈博士和王大伟博士。

该论文作者为：Ge Wang, Jinglei Li, Xun Zhang, Zhongming Fan, Fan Yang, Antonio Feteira, Di Zhou, Derek C. Sinclair, Tao Ma, Xiaoli Tan, Dawei Wang, Ian M. Reaney

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultrahigh energy storage density lead-free multilayers by controlled electrical homogeneity

Energy Environ. Sci., 2019, 12, 582, DOI: 10.1039/c8ee03287d

王大伟博士简介

王大伟，英国谢菲尔德大学材料科学与工程系研究助理，2012年于北京理工大学取得工学博士学位，2010-2011年及2016年在美国宾夕法尼亚州立大学分别作为联合培养博士及访问学者；从事新型能量存储转换材料及相关元器件的研究，包括电容器、电池、驱动器、换能器、天线等；已取得一系列高质量原创科研成果，以第一或通讯作者在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、ACS Sustainable Chemistry & Engineering 等国际期刊发表研究论文近80篇，同行引用超过1300次，H指数为23（google scholar），获授权中外专利3项。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是具有高能量储存密度的无铅陶瓷及电容器。近些年来，陶瓷储能材料面临的最大问题是低能量储存密度，使其在电容器应用方面非常局限，难以和聚合物基材料相媲美。高能量储存密度由材料的极化强度、能量转换效率和击穿场强三个因素共同决定。对于我们选用的弛豫性铁电材料，极化强度和能量转换效率均和掺杂量紧密相连，但唯独击穿场强没有明确联系，仅仅报道和晶粒大小及密度成比例关系。因此，我们希望找到一种有效的电性能表征方法可以量化并且控制陶瓷的电学性能。电化学阻抗谱是一种通用的测试半导体陶瓷电导、电容及电阻的表征方法。在不同频率和温度区间，阻抗谱对于电学性能上的微观性质更加敏感，进一步揭示了电性能微观结构与击穿场强及储能密度的紧密联系。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究最大挑战有二点：一是在于如何找寻三个影响因素与储能性能的联系。三者都会伴随掺杂量的增加而改变，但最佳储能性能并不是极化强度最高或者能量转换效率最高的组分，而是在位于中间的平衡点；其二在于区分化学均匀性和电性能均匀性，二者对于储能性质的影响上。成分或化学微观结构的均匀性不等同于电性能的均匀性，均匀的化学结构不一定能提高本征击穿场强，但电性能均匀且高阻抗可以有效提高本征击穿场强，进而对能量储存性能起决定性作用。