背景:


在全球化进程中,可再生资源发挥着前所未有的重要作用。再生资源的储存是资源有效利用的关键。铅基陶瓷电容器作为功率脉冲储能系统的储能元件,具有良好的物理化学性能。


在这一背景下,以Gui-weiYan为首的团队展开了研究,并以“Enhanced energy storage property and dielectric breakdown strength in Li+ doped BaTiO3 ceramics”为题,于北京时间2020年12月5日发表于Journal of Alloys and Compounds,旨在分析掺锂钛酸钡陶瓷的储能性能和介质击穿强度


掺锂钛酸钡陶瓷的储能性能和介质击穿强度如何?科学家对此展开了研究


摘要:


(Ba1-xLix)TiO3陶瓷(x=0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10;摘要采用传统的固态合成方法合成了BLTx,研究了其微观结构、储能性能(包括介电击穿强度)和电荷输运过程。陶瓷均呈现出纯的正方钙钛矿结构,通过掺杂锂离子,陶瓷晶粒尺寸得到了有效的细化。


由于氧空位适中,BDS由39.2 kV/cm大幅增加到76.5 kV/cm。当x=0.04 (BLT4)时,最佳储能密度为0.293 J/cm3,储能效率为64.7%。同时,BLT4陶瓷的残余极化和最大极化分别为3.8××C/cm2和17.6××C/cm2,说明BaTiO3的长程有序铁电畴已被破坏。BLTx陶瓷具有较高的储能性能和优良的性能参数,是电容器的潜在候选材料。


过程:


该研究制备了(Ba1-xLix)TiO3陶瓷(BLTx),在x=0.04条件下得到了含氧量中等的陶瓷。研究了BLT4陶瓷的导电机理,讨论了锂离子掺杂对其微观结构和储能性能的影响。


图1是室温下烧结的BLTx陶瓷的XRD谱图。可以看出,所有的样品都呈现出纯的正方钙钛矿相,说明Li+离子分散到晶格中。从图1还可以看出,随着Li+离子含量的增加,衍射峰出现了小角度的移动,这与Li+ (0.060 nm)和Ba2+(0.135 nm)的半径差有关。


Li+离子的小半径增大了Li与O之间的距离,导致耦合稳定性降低,单位电池体积增大。x=0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10时,样品密度均较高,分别为88.48%、91.75%、94.60%、95.36%、94.29%、94.06%。


掺锂钛酸钡陶瓷的储能性能和介质击穿强度如何?科学家对此展开了研究

图1所示。室温下BLTx陶瓷的XRD谱。


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图2所示。BLTx陶瓷的SEM表面显微图。


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图3所示。用威布尔分布对BLTx陶瓷BDS进行拟合。


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图4所示。研究了BLTx陶瓷的极化-电场滞回曲线。


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图5所示。在430-520℃下测量的BLT4陶瓷的复阻抗谱。


分析:


摘要采用常规固态法制备了(Ba1-xLix)TiO3无铅储能陶瓷(x=0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10),并对其微观结构、储能性能、介电性能、导电机理进行了讨论。样品均为纯正方晶钙钛矿相,无二相。


随着锂离子的加入,得到了均匀致密的微观结构,晶粒尺寸较细。在76.5 kV/mm电场作用下,储能密度提高到0.293 J/cm3,在x=0.04时优化。在BLT4陶瓷中,电子传导占优势。适度的氧空位通过捕获迁移电荷和限制长距离迁移电荷来提高介质击穿强度。性能优良的环保型BLTx陶瓷是潜在的储能应用材料。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820343851


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