材料科学前沿-先进介电储能材料(陈国华)ppt课件

化、轻量化和集成化。
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介质电容器的储能原理
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介质电容器的储能原理
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介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法
场效应管
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介质电容器的储能密度（J）测试方法二：动态法
Jreco（绿色)
Jstore(绿+红面积）
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电容器的储能效率（η）
Energy-storage efficiency
breakdown field of linear dielectric and larger polarization of
ferroelectrics.
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一、反铁电材料体系中的能量储存
1961年，典型的反铁电陶瓷材料为纯PbZrO3：
J＜1 J/cm3， E ＜ 60 kV/cm
1971年： 65 um-thick PbZrO3+ SiO2-Bi2O3
glass 体系， J=2.1 J/cm3
2013年， X. Hao et al, Mater. Res. Bull. 48, 84
(2013).：30 m-thick Pb0.97La0.02(Zr0.97Ti0.03）O3 antiferroelectric films added with PbO B2O3-SiO2-ZnO glass ①添加3wt%玻璃厚膜样品
Jreco=3.1 J/cm3 ， E=581 kV/cm ② 未掺杂玻璃的厚膜样品
Jreco=1.4 J/cm3
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二、聚合物（聚偏氟乙烯） 基复合材料体系中的能量储存
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三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存
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微晶玻璃的析晶机理
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polarization, smaller remnant polarization and moderate
breakdown field.
With development of new manufacturing processes of
materials，another two kinds of materials, glass-ceramic（微
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按照能量储存时间长短，储存电能的装置一般分为短期和长 期两类。
电池储能特点： 1. 长期 2. 高能量密度 (10-300W.h/kg), 低功率密度(≤ 500 W/kg) （电荷输运慢引起） 3. 主要用于长期稳定的能源供应。
电容器储能特点： 1. 短期 2. 高功率密度 (101 ～ 106 W/kg：电化学超级电容器；
如电子枪、定向能量武器、激励器等。
②常常具有复杂的物理结构，非常小的操
作电压（3.0V）、高的漏电流（低的能量
效率）、有限的循环寿命（105）。这些
缺点限制了在先进脉冲功率系统中的应用
。
如果介电电容器的能量密度能提高到电化学超级电容器的水平，将
会大大扩展在脉冲功率系统中的应用。并能使电子、电器系统微型
The actual energy densities calculated from P–E hysteresis loops for G1,G2, G3, G4,G5 and G6 are 0.78, 0.92,1.01,0.51,0.36, and 0.29 J/cm3
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Our works（Ⅲ）
晶玻璃或玻璃陶瓷） and polymer-based ferroelectrics（聚
合物基铁电体）, are also be found to have the potential for
application in this area, which combine with the higher
弛豫铁电体
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典型铁电体 反铁电体
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理想的具有高储能密度的材料体系
Relaxor ferroelectrics （弛豫铁电体）and
antiferroelectrics （反铁电体）are more likely to be used for
high energy storage because of their larger saturated
太阳能电池充电
锂离子电池
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高储能密度介电电容器应用
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高能量密度介电电容器 可以替代电解电容器和 聚合物基电容器。最为 重要的例子是应用到混 合电动汽车、脉冲激光 武器、枪炮、船舰。在 整流器或逆变器有重要 应用：
高能量
小型化
长寿命
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wk.baidu.com
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可植入 的医疗 装置
激素
（通过电击使心脏恢复正常跳动的）除颤器
108 W/kg：介电电容器）;小的能量密度(≤ 30 W.h/kg) 3. 主要用于脉冲电压或电流的供应。
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传统的介电电容器：
主要是由介电聚合物和介电陶瓷制造而成
。一般能量密度为0.01-0.1W.h/kg（＜
2J/cm3）
电化学超级电容器：
①具有适中的能量密度，但功率密度仍无
法满足超高功率密度的电子器件或系统，
材料科学前沿专题
先进介电储能材料 Advanced dielectric energy-storage materials
陈国华 桂林电子科技大学
2015.07.04
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背景（全球环境污染、气候变化）
能源问题????
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呼唤清洁能源
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清洁能源代替化石燃料
钠离子电池
丰田氢燃料电池
薄膜脉冲储能电容
线性电介质
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具有高储能密度的条件
① High electric breakdown field (高介电击穿强度) ② Large saturated polarization (大的饱和极化) ③ Small remnant polarization (小的剩 余极化)
顺电体 （线性电介质）
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Our works（Ⅰ）
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Our works（Ⅱ）
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The theoretical energy storage densities of G1,G2,G3,G4,G5 and G6 heated at800 oC for 3h are 4.88,5.27,5.71,3.09,2.27,and1 .93 J/cm3, respectively.
Composition of SrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2 system glasses