高性能介質(zhì)電容器在現(xiàn)代脈沖功率器件中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而,能量存儲(chǔ)能力低是脈沖器件小型化與集成化趨勢(shì)面臨的主要障礙之一,現(xiàn)有基于鈣鈦礦基材料體系的多層陶瓷電容器,面臨材料設(shè)計(jì)和器件性能提升的瓶頸。

針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究團(tuán)隊(duì)等,提出了基于四方鎢青銅(TTB,通式A1₂A2₄C₄B₁₀O₃₀)結(jié)構(gòu)多位點(diǎn)高熵設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能增強(qiáng)策略,實(shí)現(xiàn)了四方鎢青銅高熵電容器優(yōu)異的儲(chǔ)能性能。原子尺度結(jié)構(gòu)分析表明,A位等摩爾比的多位點(diǎn)高熵設(shè)計(jì)打破了TTB陶瓷固有的A1/A2位點(diǎn)選擇性,且A位的組分無(wú)序誘導(dǎo)了TTB結(jié)構(gòu)的NbO₆八面體畸變。其中,Nb1原子優(yōu)先沿極性c軸位移,Nb2原子表現(xiàn)為面內(nèi)無(wú)序。兩種Nb位點(diǎn)不同的極化行為,一方面擾動(dòng)了長(zhǎng)程鐵電有序,另一方面在局域尺度上,保留了沿極性c軸的強(qiáng)偏心位移。這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性增強(qiáng)了弛豫特性、降低了滯后效應(yīng),并在外加電場(chǎng)下保持較高的極化強(qiáng)度,進(jìn)而在(Na_1/6K_1/6Sr_1/6Ag_1/6Ba_1/6La_1/6)₆Nb₁₀O₃₀高熵多層電容器中,實(shí)現(xiàn)了20.2J^.cm^-3的高儲(chǔ)能密度和93.8%的高儲(chǔ)能效率。同時(shí),該多層電容器還表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

該研究提出了設(shè)計(jì)新一代高熵功能材料的獨(dú)特方法——多位點(diǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)控,拓展了介質(zhì)電容器的研究范疇。

近日,相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、上海市等的支持。

論文鏈接

(a)基于TTB結(jié)構(gòu)的多位點(diǎn)高熵設(shè)計(jì),(b-c)TTB高熵陶瓷的介電和儲(chǔ)能性能,(d)TTB高熵陶瓷的原子級(jí)EDS圖

(a-d)TTB高熵陶瓷的結(jié)構(gòu)精修,(e-h)TTB高熵陶瓷的晶格結(jié)構(gòu)畸變

(a)TTB高熵電容器的形貌和元素分布,(b-f)TTB高熵電容器的儲(chǔ)能和放電特性