储能陶瓷材料综述
2021-09-26 12:05:15 5 举报AI智能生成
详细介绍了电介质材料的知识体系
作者其他创作
大纲/内容
ABSTRACT
提高储能性能的方法
INTRODUCTION
未来电学陶瓷应该具有的性能
薄膜储能性能好的原因
厚度与储能性能的关系
适中的介电常数具有更大的储能性能
铁电相拥有更大储能密度的原因
制造化学上不均匀但电均匀的陶瓷可以提高储能性能
电容器的储能原理
静电电容器的计算公式
评估储能性能的关键参数
线性电介质材料的代表
铁电材料的迟滞现象与宏观FE畴的极化开关有关
在FEs中，充电能量主要通过畴切换吸收，并以剩余极化(Pr)的形式保留
弛豫行为是由极性纳米区(PNRs)对交替E的响应引起的
pe的测试方法
优化储能密度的关键因素
Intrinsic Band Gap
Electrical Microstructure
什么是electrical microstructure
通过加入第三端元有效地消除了电的不均匀性，使得在高场强下更难形成导电通路，从而导致更高的BDS
如何获得A homogeneous electrical microstructure
对多个电响应，R和C的体积分数和大小的差异对储能性能影响很大
阻抗的作用
Ea may be related to predominant charge carrier and conduction mechanism
p-type: conductivity increases with increasing pO2; n-type: conductivity decreases
with increasing pO2;
with increasing pO2;
Density and Porosity
low density ceramics exhibit conductive pathway composed of pores/voids which result in short circuit under modest field
strengths.
strengths.
基于“平板”模型的跨孔电压和外部E之间的关系
如何获得高致密度的电子陶瓷
常用的烧结助剂有哪些
提高致密度和BDS的技术
Grain Size
BDS and G的关系式
细化晶粒的方法
Core−Shell Structure
许多无铅陶瓷可以观察到核壳亚晶结构的原因
在bt基陶瓷中，核心往往比掺杂的壳层更具有导电性，因此核心到核心的导电路径会导致击穿
Lead-Based Ceramics
Lead-Based Relaxor-Ferroelectrics
0.2PMN−0.8PST拥有卓越热稳定性的原因
Lead-Based Antiferroelectrics.
PbZrO3 (PZ)的优势和不足
优化PbZrO3 (PZ)性能的方法
新的反铁电体
(Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT)
AFE and RFE behavior can both be obtained by substitution of La and excess PbO in PLZT
Tuning the Zr/Ti ratio has also shown to be
an effective way to improve Wrec of PLZT ceramics
an effective way to improve Wrec of PLZT ceramics
Tuning the Zr/Ti ratio提高储能性能的原因
Mn doping is also suggested to improve Wrec of PLZT by “enhancing antiferroelectricity”
(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3 (PLZST)
为了进一步优化PLZT陶瓷的储能性能，可以在PLZT的b位上取代Sn，扩大AFE的组成范围
对于AO结构的陶瓷，其临界相开关场在BDS以上，而AT相陶瓷在室温下发生电场诱导的affe开关，且开关场随Sn浓度的增加而增大
Adjusting the Zr/Sn/Ti ratio优化性能的原因
亚铁电结构（由具有偶极子幅度或角调制的铁电有序段组成）在 PLZST中
The net polarization of field-induced
FE order can be tailored by adjusting the Sn/Ti ratio
FE order can be tailored by adjusting the Sn/Ti ratio
随着La浓度的增加，AFE相变得更加稳定，AFE−FE开关场相应增加。
掺杂Ba和Sr (a位)改善了疲劳行为和温度稳定性，抑制了应力敏感性，提高了能量储存能力
(Pb,La)(Zr,Sn)O3 (PLZS)
在PLZS中一个独特的E诱导多相转变，在低E时传统的AFE -FE相变，随后在高E时第二次FE-FE相变，导致极化增加
The substitution of Pb by Sr gave rise to an increase in BDS and AFE/FE switching fields, leading to further enhancement of energy storage performance
Lead-Free Ceramics
BaTiO3-Based Ceramic
提高BT-based ceramics储能性能的方法
然而，最有效的方法是引入一种铋基钙钛矿的末端成员，其中b位包含多个阳离子的原因
SrTiO3-Based Ceramics. ST
提高ST-based ceramics的方法
掺杂通常使ε r和Pmax增大，但使BDS降低，烧结助剂增大BDS，但降低P最大值。
因此，最高的能量密度是通过掺杂剂和/或与“松弛端元”(也作为烧结助剂)合金化来实现的
K0.5Na0.5NbO3-Based Ceramics
ZnO and CuO 作为烧结助剂减小孔隙，抑制晶粒生长
BiFeO3-Based Ceramics.
their high TC and large spontaneous polarization
BiFeO3-Based Ceramics. 储能性能不好的原因
提高BiFeO3-Based Ceramics. 储能性能的方法
BF−BT-based materials储能性能好的原因
优化BF−BT-based materials 性能的方法
较大体积分数的导电铁芯(R1)的存在容易导致低电场下的电击穿
通过与NZZ形成固溶体，有效地消除了导电电成分，抑制了高电场下导电途径的形成
BF−ST−xNb−yBMN ceramics储能性能好的原因
(BF−ST−0.06BMN掺 Nb的作用
简单德拜峰表明电学结构均匀
Seebeck系数从~ 600 μV K−1降至零，表明随着Nb浓度的增加，载流子浓度相应降低
Na0.5Bi0.5TiO3−Based Ceramics
NBT-based ceramics 的优缺点
提高NBT-based ceramics 储能性能的方法
designing an ideal RFE with high energy density 的方法
AgNbO3−Based Ceramics.
AgNbO3−Based Ceramics的优点
提高AgNbO3−Based Ceramics储能性能的方法
提高AgNbO3−Based Ceramics储能性能的方案
AgNbO3−Based Ceramics掺杂的作用
A位掺杂可以提高储能性能的原因
取代B位离子with a lower polarizability than Nb also stabilizes the AFE phase and moves the switching field higher
NaNbO3-Based Ceramics
An AFE double hysteresis loop is difficult to
observe in NN 的原因
observe in NN 的原因
AFE behavior in NN based materials is commonly stabilized by chemical substitution
with end members such as BS and CaHfO3
with end members such as BS and CaHfO3
一个反极性相不能形成具有松弛子特征的短程极性特征
造成大Emax的根本原因很可能与缺陷化学、带隙和电均匀性有关
Glass Ceramics
Glass-ceramics are composed of one
or more crystallized phases (ceramics) dispersed uniformly in amorphous phase (glass)
or more crystallized phases (ceramics) dispersed uniformly in amorphous phase (glass)
它们通常表现出陶瓷和玻璃的综合性能，这取决于诱导结晶相及其微观结构
制备微晶玻璃的方法是熔化所需的原料，冷却到室温形成玻璃，然后进行两步退火以诱导晶核(大约在玻璃转变温度，Tg)和生长> Tg
玻璃陶瓷的微观结构主要由二维和三维无缺陷(例如，没有晶界)的玻璃相和均匀分布(假设系统经历均匀而非非均匀形核)的陶瓷相组成
Wrec和η都很大，这是由于2D和3D缺陷的缺失导致BDS较高，同时Pr值接近于零
玻璃陶瓷的结晶度由退火过程控制
随着退火温度和退火时间的增加，晶相体积分数逐渐增大，ε r增大，BDS减小
玻璃基体中的各组分氧化物对晶体相、微观结构、BDS和储能性能都有重要影响
稀土氧化物主要作为成核剂或晶体生长抑制剂
microwave treatment也能提高玻璃陶瓷的储能性能
Summary of State-of-the-Art in Ceramics
子主无铅高储能密度电容器会大规模生产的原因题
NBT and BF获得A high ΔP (60 μC cm−1) 的原因
AN- and NN-based materials存在极化饱和
缺陷影响介电损耗的原因
通过合金化或掺杂来形成所谓的“弱耦合弛豫态”，η > 90%可以达到
BF and KNN-based materials的缺陷及解决方法
提高 AN and NN ceramics 材料储能性能的方法
增加频率稳定性的目的
温度升高，漏电流增大的原因
Ceramic Multilayers
Ceramic Multilayers的应用场景
铅基反铁电体的缺点
减小场致应变的方法
提高BF-(B,S)T-based ceramic multilayers储能性能的方法
保持electrical homogeneity的原因
Ceramic Films
薄膜击穿大的原因
在LaNiO3/Si(100)或Pt/(100)上沉积陶瓷膜，BDS和Wrec比采用粉末基技术制备MLs高
Ti/SiO2/Si基板的物理气相沉积或化学沉积技术，如射频磁控溅射、自旋涂层、脉冲激光沉积、和化学溶液沉积
Ti/SiO2/Si基板的物理气相沉积或化学沉积技术，如射频磁控溅射、自旋涂层、脉冲激光沉积、和化学溶液沉积
非粉基技术很难扩大到MLCCs，这可能会限制这些非凡的成果，以实验室为基础的基础研究，而不是承诺为商业开发的实际产出
有竞争自由能的菱形和四方相的多态纳米畴被认为是具有非凡电性能的关键
引入BT形成固溶体以促进菱形和四方相共存，最后加入ST进一步破坏长程极性耦合并诱导多态纳米畴
Summary of State-of-the-Art in Ceramic MLs and Films
Wrec in ceramic films is also improved by higher ΔP (up to ∼120 μC cm−2) with respect to ceramic MLs (up to ∼70 μC cm−2) and
bulk ceramics (up to ∼60 μC cm−2)
bulk ceramics (up to ∼60 μC cm−2)
块体陶瓷、陶瓷MLs和陶瓷薄膜的η值随组成的不同而有显著变化，并与以下因素有关:场诱导向长程极性转变的能量耗散、畴开关、极化旋转和与VO存在相关的泄漏电流。和相关的缺陷偶极子
多层电容材料有哪几类
BF and NBT based ceramic多层电容的缺陷
因此，商业焦点目前仍主要集中在改性BT复合材料上Ni, Ag和Ag/Pd电极取决于成分和pO2的制备过程。
MLs at higher pO2 which would inhibit the formation of VO .. and maintain high BDS
Optimization through an Induced Relaxor State
应用具有高极化的物质诱导弛豫
它通常通过策略性掺杂或合金化来形成伪三元固溶体
运用强极化物质掺杂可以阻挡长程有序铁电关联
dopant strategies to induce or maintain a homogeneous electrical microstructure, ΔP and BDS can be optimized leading to a large Wrec.
Bi(Mg0.5Ti0.5)O3,208 Bi(Li0.5Ta0.5)O3,203 Bi-(Zn0.5Zr0.5)O3,199 and K0.73Bi0.09NbO3499 doped BT提高储能的原因
带有Ag - Pd内电极的MLs可以在pO2环境中燃烧，以减少VO。以及在高场下减小泄漏电流
铁电转化为弛豫铁电
Optimization of Antiferroelectrics
optimize AN-based ceramics的方法
类似ΔP(30−40)μC cm−2)，这反映了AFE材料的固有局限性，即在电场作用下，当反平行极性耦合完全切换到极性耦合时，Pmax达到饱和，很难增强
然而，在中等电场(~ 300 kV cm−1)下，AFEs比rfe获得更高的ΔP和W rec，表明AFEs更适合于低/中电压储能应用
Chemical Coating
wet-chemical and sol−gel methods
获得更小的晶粒尺寸
SiO2涂层抑制晶粒生长，从而改变微观结构，减少直流漏电流
Al2O3 and La2O3
Layered Structure
由多种材料组成的层状结构可以优化储能性能，通常采用胶带浇铸，然后是层压。
BDS和ε r的最终性能与电陶瓷材料的类型和各层的厚度有关
通过降低ST + Li2O3与NBT−0.06BT层之间的击穿路径，BDS得到改善
总结Lead-Based Energy Storage Ceramics
铅基
铅基反铁电体型陶瓷具有极高的能量密度，但优化BDS、η和最小化电应变是一个问题。
低BDS (<300 kV cm−1)通常归因于铅/铅氧化物的挥发，导致铅空位(Vpb ..)和 VO .. 的形成。这会导致电流泄漏
这些问题可以通过改进工艺和掺杂剂的组合部分解决，但实现无铅材料中观察到的BDS值仍然是难以实现的
铅基反铁电体型陶瓷的η值较低(<80%)主要是由于由于场诱导FE相的稳定，在高场强时迟滞回线打开的结果
四方向菱方转变导致大的应变
有趣的混合铅和铋基系统具有高εr和自发极化，这反映了无铅陶瓷的一些设计原则，特别是在结合了AFEs和弛豫端元的固溶体中
此外，还需要进一步研究晶体结构和相变行为。
许多系统都有不适应的调制，它们对AFE/FE开关的影响需要利用原位XRD和Raman(温度/电场)，以及利用先进的像差校正TEM来研究局域结构来进一步探索
许多系统都有不适应的调制，它们对AFE/FE开关的影响需要利用原位XRD和Raman(温度/电场)，以及利用先进的像差校正TEM来研究局域结构来进一步探索
总结Lead-Free Energy Storage Ceramics
Successful strategies to improve properties include,
多层陶瓷电容器的缺点
无铅多层陶瓷的主要问题有哪些
总结Glass Ceramics
玻璃陶瓷的优点
玻璃陶瓷的缺点
结晶机理和晶相/微观结构的控制尚不明确，需要进一步利用先进的透射电镜和原位技术进行研究
XRD/TEM作为外加场和温度的函数。
XRD/TEM作为外加场和温度的函数。
0 条评论
下一页
