電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u7537電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 1119961.1前言 1141341.1.1電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的發(fā)展 1105651.1.2電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的基本原理 2120161.1.3電介質(zhì)電容器的優(yōu)點(diǎn) 4212101.1.4電介質(zhì)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域 412045參考文獻(xiàn) 41.1前言當(dāng)今世界，人們對(duì)能源的消耗與需求也越來越巨大，化石能源是目前世界的主要能源，但化石能源并不是無窮無盡的，總會(huì)有耗盡的一天，所以各國在能源爭(zhēng)奪上的問題也愈演愈烈[1]。使用化石燃料也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，如果過度開采和使用，將會(huì)影響地球的生態(tài)環(huán)境。雖然也有其他清潔能源，如海洋能、生物能等，但它們都不是穩(wěn)定的能源。想要尋找新的穩(wěn)定而且無污染能源，難度是非常大的，所以研究人員們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了能量的儲(chǔ)存上，通過提高器件的儲(chǔ)能效率來減少能量的損耗[2]。所以如何提高儲(chǔ)能器件的儲(chǔ)能效率，減少能量的損耗成為了當(dāng)今世界的熱門話題。常見的儲(chǔ)能器件主要為超級(jí)（電化學(xué)）電容器、電介質(zhì)電容器、電池，它們?cè)谛阅苌隙际歉饔袃?yōu)缺點(diǎn)[3]。相比之下，電介質(zhì)電容器因其有著更高的功率密度以及快速的充放電速度[4]，而受到了廣泛關(guān)注與研究。發(fā)展電介質(zhì)電容器也會(huì)對(duì)研究脈沖功率技術(shù)有促進(jìn)作用。1.1.1電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的發(fā)展自20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外便有許多學(xué)者致力于高介電常數(shù)的陶瓷材料的研究[56]。最早的一批學(xué)者，對(duì)BaTiO3陶瓷的儲(chǔ)能密度進(jìn)行了研究，之后也有許多研究人員深入地研究了幾種陶瓷的儲(chǔ)能性能。HidekiOgihara等人探索了BaTiO3-BiScO3[7,8]，他們利用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法成功制備了0.7BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷[2]，得到的陶瓷介電常數(shù)和溫度穩(wěn)定性都十分良好。之后利用該陶瓷制備了單層電容器，介電擊穿強(qiáng)度為73kV/cm，并且具有6.1J/cm3的儲(chǔ)能密度。Mirshekarloo等人研究了反鐵電陶瓷（Pb0.97La0.02）（Zr1-x-ySnTiy），發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)能密度與前者相比提高了一倍，達(dá)到了13.7J/cm3[6,9]。Do-Kyun等人探索了(1-x)BaTiO3-xBi(Mg1/2Ti1/2)O3，利用其制備的薄膜材料剩余極化很小，介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)2.17MV/cm[2,10]。Zhang等人研究出的新型多相陶瓷（100-x）wt%Ba0.4Sr0.6TiO3-xwt%MgO,其擊穿強(qiáng)度高達(dá)33.1kV/cm儲(chǔ)能密度達(dá)1.14J/cm3。Luo等人探索了玻璃陶瓷Na2O-BaO-PbO-Nb2O5-SiO2的儲(chǔ)能性能。Shay等人成功研究出了能應(yīng)用于高溫領(lǐng)域的Mn-Doped0.8CaTiO3-0.2CaHfO3陶瓷，儲(chǔ)能密度達(dá)到了9J/cm3[6]?，F(xiàn)如今，電介質(zhì)電容器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域。2018年，基于介電材料的多層陶瓷電容器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)90億美元[11]，全球消費(fèi)總量接近4.5萬億臺(tái)，市場(chǎng)需求量非常大。如何提高陶瓷電容器的儲(chǔ)能密度在我國也是一個(gè)重要的研究方向。在2015年，我國已經(jīng)將其列為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃中的一部分[3,12]。1.1.2電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的基本原理首先了解一下電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在外部電場(chǎng)影響下所發(fā)生的一種物理過程，是介電材料最重要的基本特性之一。對(duì)于電介質(zhì)而言，電介質(zhì)中的原子、分子或者離子中的正負(fù)電荷以離子鍵或共價(jià)鍵的形式而互相束縛著[13]。在外部電場(chǎng)下，電介質(zhì)中的正電荷和負(fù)電荷只能在微觀水平上進(jìn)行相對(duì)位移，而不能進(jìn)行定向移動(dòng)。因?yàn)檎姾珊拓?fù)電荷的位移方向是相反的，所以它們之間的距離會(huì)逐漸增加，在達(dá)到一定的距離之后便會(huì)感生偶極矩。從宏觀層面來看，電介質(zhì)感生偶極矩后，便會(huì)有位移電流產(chǎn)生。這種在外電場(chǎng)的作用之下，在介電材料內(nèi)部感生偶極矩的現(xiàn)象便叫做電介質(zhì)的極化。圖1.1電介質(zhì)的極化示意圖電介質(zhì)的極化按照極化表現(xiàn)形式的不同，主要分為電子位移極化、離子位移極化、離子松弛極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化[13]。即使是同一電介質(zhì)，在外電場(chǎng)的作用之下，也會(huì)有幾種不同的極化形式同一時(shí)間存在。電子位移極化：在外加電場(chǎng)下，電介質(zhì)內(nèi)的原子和分子的外圍電子云相對(duì)于原子核逆電場(chǎng)方向位移，使得正負(fù)電荷中心不再重合，感生偶極矩。這就是電子位移極化，過程如圖1.2所示。當(dāng)產(chǎn)生電子位移極化后，原子核對(duì)電子云的庫侖引力又會(huì)驅(qū)使正負(fù)電荷中心重合，這個(gè)過程是一種彈性位移。電子位移極化的速度是最快的，極化建立時(shí)間僅在10-15~10-14s之間。圖1.2球狀原子模型下的電子位移極化示意圖離子位移極化：在外部電場(chǎng)的影響下，電介質(zhì)中的正負(fù)離子沿相反方向運(yùn)動(dòng)，形成相對(duì)位移，從而產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。這種極化稱之為離子位移極化。離子位移極化建立時(shí)間約在10-13~10-12s之間。離子松弛極化：電介質(zhì)內(nèi)的一些關(guān)系較弱的并且因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)而分布混亂的帶電質(zhì)點(diǎn)，在電場(chǎng)的作用下，按照電場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行排列，在一定溫度下發(fā)生極化。這種極化的建立時(shí)間比較長(zhǎng)，帶電質(zhì)點(diǎn)需要克服熱運(yùn)動(dòng)移動(dòng)。這也導(dǎo)致當(dāng)交變電場(chǎng)變化周期較短時(shí)，這種極化的極化方向改變將會(huì)滯后于電場(chǎng)改變方向，即產(chǎn)生松弛現(xiàn)象。這種極化稱之為離子松弛極化。偶極子轉(zhuǎn)向極化：由具有固有偶極矩的極性分子組成的極性電介質(zhì)，在沒有外電場(chǎng)作用下時(shí)，因?yàn)闃O性分子熱運(yùn)動(dòng)的存在，使得電介質(zhì)在宏觀上的偶極矩為0。而在外電場(chǎng)作用下時(shí)，極性分子中的偶極子會(huì)隨電場(chǎng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并趨向按電場(chǎng)規(guī)律和方向進(jìn)行排列。而對(duì)于電介質(zhì)而言，極性分子受到了電場(chǎng)的作用不再是在各個(gè)位置具有相等的分布幾率，在整體上表現(xiàn)出宏觀偶極矩。這就是偶極子轉(zhuǎn)向極化。空間電荷極化：不均勻電介質(zhì)中的自由載流子分別向正、負(fù)極移動(dòng)，使得電介質(zhì)中的電荷分布發(fā)生改變，出現(xiàn)不均勻分布，產(chǎn)生偶極矩。離子松弛極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化都屬于慢極化，所需要的建立時(shí)間較長(zhǎng)。電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下的極化與去極化過程，實(shí)際上就是電介質(zhì)材料的儲(chǔ)能過程。電介質(zhì)儲(chǔ)能的充電階段：隨著電介質(zhì)周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電介質(zhì)就會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，隨著極化現(xiàn)象的不斷增強(qiáng)，電介質(zhì)材料內(nèi)的電能量便會(huì)不斷積累，即充電。電介質(zhì)儲(chǔ)能的放電階段：隨著電介質(zhì)周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度的減小，電介質(zhì)的極化現(xiàn)象便會(huì)不斷減弱，即電介質(zhì)內(nèi)在進(jìn)行除極化，在發(fā)生除極化現(xiàn)象后，電介質(zhì)材料內(nèi)的電能量便會(huì)逐漸釋放出來，即放電。1.1.3電介質(zhì)電容器的優(yōu)點(diǎn)電介質(zhì)電容器的優(yōu)點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：①功率密度高，約為108W/kg[3]。作為對(duì)比，其它兩種電能儲(chǔ)存器件，電池的功率密度一般不到500W/kg，超級(jí)電容器的功率密度要好一些，但也只有10~106W/kg，都遠(yuǎn)小于電介質(zhì)電容器的功率密度。②可以快速充放電。電介質(zhì)電容器具有快速儲(chǔ)存能量和釋放能量的能力[14]，可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出非常高的電流或電壓，放電時(shí)間僅需要毫秒到微秒之間。這使得電介質(zhì)電容器在高能脈沖功率技術(shù)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。③工作壽命長(zhǎng)。④可靠性高。相比于以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的超級(jí)電容器，和通過電解質(zhì)溶液將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電池。電介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能與釋放能量過程沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而是依靠電介質(zhì)的極化，其熱穩(wěn)定性更為優(yōu)異，機(jī)械穩(wěn)定性更高。⑤工作溫度范圍寬。這使得電介質(zhì)電容器可以應(yīng)用在極端的環(huán)境下。1.1.4電介質(zhì)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域電介質(zhì)電容器的高儲(chǔ)能密度以及可以快速充放電等特點(diǎn)，使得其有著廣泛的應(yīng)用范圍。而電介質(zhì)電容器能在非常短的時(shí)間內(nèi)釋放能量并產(chǎn)生極高的電流或電壓的特點(diǎn)，使它在脈沖功率技術(shù)以及電子功率控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)著重要的作用。在生活中，電介質(zhì)電容器是新能源混合動(dòng)力汽車的逆變器和新能源發(fā)電系統(tǒng)的非常重要的一部分。在國防、軍事領(lǐng)域，電介質(zhì)電容器被應(yīng)用在脈沖功率技術(shù)中，在主動(dòng)裝甲、電磁炮、大功率微波設(shè)備等起到了重要作用。但由于目前電介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能密度依然不夠高，所以，如何能制得儲(chǔ)能密度足夠高的電介質(zhì)電容器是關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)[1]葉芬,江向平,黃梟坤,聶鑫,曾仁芬.NaNbO_3在儲(chǔ)能和光催化領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].中國陶瓷,2021,57(01):1-8.[2]姚宗影.(1-x)BaTiO_3-xBiYO_3介電陶瓷儲(chǔ)能特性的研究[D].電子科技大學(xué),2016.[3]顧逸韜,劉宏波,馬海華,童苑馨.電介質(zhì)儲(chǔ)能材料研究進(jìn)展[J].絕緣材料,2015,48(11):1-7+13.[4]HaoX.AReviewontheDielectricMaterialsforHighEnergy-storageApplication[J].JournalofAdvancedDielectrics,2013,3(1):1330001.[5]BurnI,SmythDM.Energystorageinceramicdielectrics[J].JournalofMaterialsScience,1972,7(3):339-343.[6]高旭呈.基于二維鈮酸鈉摻雜的PVDF復(fù)合材料制備與儲(chǔ)能特性研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2020.[7]OgiharaH,RandallCA,SusanTrolier㎝cKinstry.WeaklyCoupledRelaxorBehaviorofBaTiO3–BiScO3Ceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2010,92(1):110-118.[8]OgiharaH,CARandall,Trolier-MckinstryS.High‐EnergyDensityCapacitorsUtilizing0.7BaTiO3–0.3BiScO3Ceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2010,92(8):1719-1724.[9]Meysam,Sharifzadeh,Mirshekarloo,etal.Largestrainandhighenergystoragedensityinorthorhombicperovskite(Pb0.97La0.02)(Zr1xySnxTiy)O3antiferroelectricthinfilms[J].AppliedPhysicsLetters,2010,97(14):6014.[10]KwonDK,MinHL.Temperaturestablehighenergydensitycapacitorsusingcomplexperovskitethinfilms[C].ApplicationsofFerroelectrics.IEEE,2011.[11]FulanoviL,ZhangMH,YFu,etal.NaNbO3-basedAntiferroelectricMultilayerCeramicCapacitorsforEnergyStorageApplications[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2021.[12].國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和重大科學(xué)研究計(jì)劃2015年度重要支持方向[J].中國基礎(chǔ)科學(xué),2014,16(01):28-37.[13]王巍，馮世娟，羅元.現(xiàn)代電子材料與元器件[M].北京：科學(xué)出版社，2012:185-213[14]周明星.鈮酸鈉基無鉛鐵電陶瓷的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所),2020.[15]HaoX,ZhaiJ,LingBK,etal.Acomprehensivereviewontheprogressofleadzirconate-basedantiferroelectricmaterials[J].ProgressinMaterialsScience,2014,63(8):1-57.[16]McphersonJ,KimJY,ShanwareA,etal.Thermochemicaldescriptionofdielectricbreakdowninhighdielectricconstantmaterials[J].AppliedPhysicsLetters,2003,82(13):2121-2123.[17]李威.鈮酸鈉陶瓷的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能及二元復(fù)合改性研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所),2020.[18]陳乃超.冷燒結(jié)法制備鎳銅鋅鐵氧體陶瓷及其電磁性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),