材料科学前沿-先进介电储能材料(陈国华)ppt课件
合集下载
储能技术 储能材料 新能源材料 锂电池储能PPT课件
很明显，近20年来 ，CO2的浓度上升迅速 非常迅速，2010年将接 近550ppm。
而且，主要分布在 美国和中国所在的北半 球高纬度60-80度处。
表3 全球各国CO2排放量比较排行
在北京、上海等大城市，空气污染的 60%来自汽车排放
二氧化碳的全球排放量中，中国居第 二
1.2 新能源
新能源 广义上来说，有 别于传统依靠矿 物质原料燃烧的 能源都称之为新
飞轮储能的主要优点有：
• 1)储能密度高：比超导磁储能、超级电容器储能 和一般的蓄电池都要高。以目前的最好的碳素纤 维复合材料来说，这种材料的飞轮转子可以承受 的最大线速度达到 1000m/s 以上，储能密度可达 到 230Wh/kg。
• 2)充放电时间短，且无过充放电问题：飞轮储能 充电只需要几分钟，而不像化学电池需要几个小 时的充电时间。
铅蓄电池内的阳极 (PbO2) 及阴极 (Pb) 浸到电解液 ( 稀硫酸 ) 中，两极 间会产生 2V 的电力。
放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应 ) ( 过氧化铅 ) ( 硫酸 ) ( 海绵状铅 )
• 能量是物质运动的量 化转换，简称“能” 。
能量的存在形式：
• 机械能（风能、潮汐能） • 内能（地热等） • 电能 • 化学能 • 原子能 • 电磁能
• 宏观物体的机械运动——机械能 • （动能、位能和压力能）； • 分子运动——热能； • 原子运动——化学能； • 带电粒子的定向运动——电能； • 光子运动——光能
2.2.1 机械储能
而且，主要分布在 美国和中国所在的北半 球高纬度60-80度处。
表3 全球各国CO2排放量比较排行
在北京、上海等大城市，空气污染的 60%来自汽车排放
二氧化碳的全球排放量中，中国居第 二
1.2 新能源
新能源 广义上来说，有 别于传统依靠矿 物质原料燃烧的 能源都称之为新
飞轮储能的主要优点有：
• 1)储能密度高：比超导磁储能、超级电容器储能 和一般的蓄电池都要高。以目前的最好的碳素纤 维复合材料来说，这种材料的飞轮转子可以承受 的最大线速度达到 1000m/s 以上，储能密度可达 到 230Wh/kg。
• 2)充放电时间短，且无过充放电问题：飞轮储能 充电只需要几分钟，而不像化学电池需要几个小 时的充电时间。
铅蓄电池内的阳极 (PbO2) 及阴极 (Pb) 浸到电解液 ( 稀硫酸 ) 中，两极 间会产生 2V 的电力。
放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应 ) ( 过氧化铅 ) ( 硫酸 ) ( 海绵状铅 )
• 能量是物质运动的量 化转换，简称“能” 。
能量的存在形式：
• 机械能（风能、潮汐能） • 内能（地热等） • 电能 • 化学能 • 原子能 • 电磁能
• 宏观物体的机械运动——机械能 • （动能、位能和压力能）； • 分子运动——热能； • 原子运动——化学能； • 带电粒子的定向运动——电能； • 光子运动——光能
2.2.1 机械储能
介电功能材料PPT
相对介电常数和介电损耗是电子陶瓷材料中的 一个重要参数,不同用途的陶瓷,对它们有不同的要 求.
第四章 介电陶瓷
三、介电陶瓷电容器 陶瓷电容器以其体积小、容量大、构造简洁、优良的高
频特性、品种繁多、价格低廉，便于批量生产而广泛应用于 家用电器、通信设备、工业仪器等领域，是目前飞速进展的 电子技术的根底之一。
PMN-PT
〔～700℃〕
❖ 1/6P3N2 + 1/3MgO + 1/2PbO + PT
PMN-PT
❖
(～800℃)
❖
❖
用MSS法制备PMN-PT陶瓷时，主要形成了一个富
Pb的、缺B位、不稳定的焦绿石相P3N，Mg2+很简洁占据
Nb5+的空位形成立方焦绿石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而
❖ Pb〔Mg1/3Nb2/3〕O3是立方钙钛矿构造，因此，很简 洁发生转变。
第四章 介电陶瓷
〔2〕微波介电陶瓷 微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件，在微
波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材 料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温 度系数。
要求具有以下性能：适当大小的介电常数，且值 稳定；介电损耗小；有适当的介电常数温度系数； 热膨胀系数小。
其争论体系有：MgO-CaO-TiO2
第四章 介电陶瓷
虽然PMN具有高的介电 常数，tgδ也较小，成瓷温 度在1050~1100℃，可用来 制作低温烧结独石电容器。 但缺点是居里温度和负温损 耗较大。为此，通常使用 PbTiO3做为移峰剂。
第四章 介电陶瓷
Dielectric constant
10000 8000 6000
100Hz 1kHz 10kHz 100Hz 1kHz 10kHz
第四章 介电陶瓷
三、介电陶瓷电容器 陶瓷电容器以其体积小、容量大、构造简洁、优良的高
频特性、品种繁多、价格低廉，便于批量生产而广泛应用于 家用电器、通信设备、工业仪器等领域，是目前飞速进展的 电子技术的根底之一。
PMN-PT
〔～700℃〕
❖ 1/6P3N2 + 1/3MgO + 1/2PbO + PT
PMN-PT
❖
(～800℃)
❖
❖
用MSS法制备PMN-PT陶瓷时，主要形成了一个富
Pb的、缺B位、不稳定的焦绿石相P3N，Mg2+很简洁占据
Nb5+的空位形成立方焦绿石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而
❖ Pb〔Mg1/3Nb2/3〕O3是立方钙钛矿构造，因此，很简 洁发生转变。
第四章 介电陶瓷
〔2〕微波介电陶瓷 微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件，在微
波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材 料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温 度系数。
要求具有以下性能：适当大小的介电常数，且值 稳定；介电损耗小；有适当的介电常数温度系数； 热膨胀系数小。
其争论体系有：MgO-CaO-TiO2
第四章 介电陶瓷
虽然PMN具有高的介电 常数，tgδ也较小，成瓷温 度在1050~1100℃，可用来 制作低温烧结独石电容器。 但缺点是居里温度和负温损 耗较大。为此，通常使用 PbTiO3做为移峰剂。
第四章 介电陶瓷
Dielectric constant
10000 8000 6000
100Hz 1kHz 10kHz 100Hz 1kHz 10kHz
先进介电储能材料
通过陈国华老师的讲座使我知道了铁电材料的特殊电学性能意味着它广阔的应用前景，其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。
储能用铁电介质材料是铁电材料中重要的一类，可以用作脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源，为脉冲功率装置的负载提供电磁能量。
脉冲功率技术的能量储存方式，主要有机械能储能、电容器储能、电化学储能三种。
相对于其它储能器件，电容器储能因为具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，因此成为现在高功率脉冲电源中应用最广的储能器件之一。
目前正在研发的储能用铁电介质材料主要有以下几种：基陶瓷。
以BaTiO3陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常数，是制造铁电陶瓷电容器的基础材料，也是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷材料之一。
在介电层厚度确定的情况下，材料的介电常数越高，电容器的比电容越大，越易于实现器件的小型化。
基陶瓷。
SrTiO3基陶瓷具有高介电常数，低介电损耗和稳定的温度、频率和电压特性，是用于制备大容量陶瓷晶界层电容器的理想材料，具有吸收高达1000～3000 A/cm2这样的电涌的能力，所以该材料兼有大容量电容器和压敏电阻器的功能。
在SrTiO3-m ( Bi2O3·nTiO2)系陶瓷基础上加入BaTiO3等烧制而成的新型材料，具有介电常数大，介质损耗小，击穿场强高的特点。
陶瓷。
TiO2陶瓷具有高达350 kV/cm的耐击穿强度和较高介电常数(～110)，从而具有可观的储能密度，并支持几百次的充放电。
问题：1.先进的储能材料有哪些2.电容器储能与电池储能的优缺点各是什么3.反铁电材料的储能原理是什么1/ 1。
《介电材料》课件
介电损耗
介电损耗
指电介质在电场作用下，由于能量损 耗而引起的电阻性损耗，表现为介质 发热和能量耗散。
介质损耗因数
衡量介电材料在电场作用下的能量损 耗程度，是介电损耗的重要参数。
电场强度与介电强度
电场强度
表示电场对介电材料的电场作用力，是影响介电材料性能的 重要因素。
介电强度
表示介电材料能够承受的最高电场强度，是衡量介电材料耐 压性能的重要指标。
安全可靠。
电容器
02
介电材料作为电容器的重要介质，用于储存和释放电能，调节
电路中的电压和电流。
变压器
03
介电材料用于制造变压器的绝缘层，提高变压器的电气性能和
稳定性。
在电子工业中的应用
集成电路
介电材料作为集成电路的 衬底材料，提供电子元件 相互连接的电路。
电子封装
介电材料用于封装电子元 件，保护电子元件免受环 境影响和机械损伤。
铁电材料
探索铁电材料的介电性能和相关应用，如铁电器件和存储器等。
介电材料在其他领域的应用
电子信息领域
介电材料在电子信息领域具有广泛的应用，如电子元件、集成电路 、微电子器件等。
生物医学领域
探索介电材料在生物医学领域的应用，如生物传感器、医疗设备、 组织工程等。
环境监测领域
利用介电材料的敏感特性，开发环境监测传感器和仪器，用于检测气 体、水质等环境参数。
智能化与多功能化
随着智能化时代的到来，介电材料将向智能化、多功能化方向发展， 如具有传感、驱动、信息处理等多功能的介电材料。
绿色环保
在可持续发展理念的指导下，介电材料的生产和使用将更加注重环保 和节能，推动绿色低碳发展。
谢谢
THANKS
介电功能材料课件
PART 06
参考文献
参考文献
APA格式
主要用于社会科学和人文科学领 域的论文引用，要求文献引用包 括作者姓名、文章标题、期刊名、 出版年份、卷号、页码等。
MLA格式
主要用于文学领域的论文引用， 要求文献引用包括作者姓名、作 品名称、出版年份等。
Chicago格式
主要用于历史学和新闻学领域的 论文引用，要求文献引用包括作 者姓名、作品名称、出版年份、 出版社等。
PART 04
介电功能材料的应用
在电子器件中的应用
01
02
03
绝缘材料
介电功能材料可作为绝缘 材料，用于制造电子设备 的绝缘层和保护层，保障 电路的安全运行。
电容器
介电功能材料是制造电容 器的关键材料，用于储存 电荷和提供稳定的电压。
介质基板
介电功能材料可作为介质 基板，用于微电子封装和 集成电路的制造。
液相法
液相法是一种制备介电功能材料的方法，其基本原理是将两种或多种液体原料混合在一起，通过化学 反应使它们聚合成所需的介电功能材料。
液相法的优点在于制备过程简单、反应条件温和、可制备出高纯度、高均匀性的介电功能材料，且可通 过控制原料的配比和反应条件等参数来控制材料的成分和结构。
液相法的缺点在于制备周期较长，需要经过多次热处理才能得到所需的材料，且在制备过程中容易引入 杂质和缺陷，影响材料的性能。
02
化学共沉淀法的优点在于制备过程简单、反应条件温和、可制备出高纯度、高 均匀性的介电功能材料，且可通过控制沉淀剂的浓度和加入速度等参数来控制 材料的成分和结构。
03
化学共沉淀法的缺点在于制备周期较长，需要经过多次热处理才能得到所需的 材料，且在制备过程中容易引入杂质和缺陷，影响材料的性能。
《介电材料》PPT课件
编辑ppt
30
§ 1-2 典型低介装置瓷
3、降低烧结温度、改进工艺性能的措施 加入变价金属氧化物MnO2、TiO2 加入助熔剂，固液烧结 利用超细粉体，提高粉体烧结活性 采用还原气氛烧结或热压烧结
编辑ppt
31
§ 1-2 典型低介装置瓷
§ 1-2-3 高热导率陶瓷基片
1、基片应具有的机电性能 2、电介质导热机制 3、高热导率晶体的结构特征 4、高导热陶瓷材料特征比较 5、多芯片组装-多层基片
原顽辉石是滑石瓷的主晶相，有少量斜顽辉石
编辑ppt
11
3、滑石瓷存在的问题及解决方案 (1) 老化 (2) 开裂 (3) 烧结温区过窄
编辑ppt
12
(1) 老化（粉化）: 老化原因：
原顽 斜 辉 顽 石 密 辉 体 度 石 积 内 应力
微 裂 纹 老、 化白 斑
防老化措施： a. 用粘度大的玻璃相包裹晶粒，防止相变 b. 抑制晶粒生长 c. 去除游离石英
编辑ppt
3
• （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强 度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
• （2）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～ 9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机 温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰减 现象。
8
滑石瓷
§ 1-2-1 滑石瓷 1、滑石的结构
共价键\离子键 复合层
滑石瓷分子式：
3MgO·4SiO2·H2O 滑石矿为层状结构的镁硅酸盐， 属单斜晶系，[SiO4]四面体联结 成连续的六方平面网，活性氧离 子朝向一边，每两个六方网状层 的活性氧离子彼此相对，通过一 层水镁氧层联结成复合层。
材料的介电性课件
频率对介电损耗的影响
总结词
随着频率的增加，介电损耗通常会增 加。
详细描述
介电损耗是指电场能量转换为热能并 耗散在材料中的过程。在高频电场下 ，由于电子和离子的运动速度限制， 能量转换更为频繁，导致介电损耗增 加。
频率对介电强度的影晌
要点一
总结词
介电强度与频率的关系较为复杂，但通常在高频下介电强 度会有所降低。
材料的介电性课件
• 介电性基本概念 • 介电性与物质结构 • 介电性与温度 • 介电性与频率 • 介电性与应用
01
介电性基本概念
介电常数
总结词
介电常数是衡量材料介电性能的重要参数，它表示了电场中材料对电能的保持 能力。
详细描述
介电常数的大小取决于材料的种类、温度、湿度和频率等条件。在相同的条件 下，介电常数越大，表示材料对电场的屏蔽作用越强，电能被保持得越紧密。
详细描述
介电性是指材料在电场作用下，内部电荷的分布和运动行为。分子极性是指分子内部正负电荷分布不均匀，导致 分子具有电偶极矩。极性分子在电场中会发生取向极化，即分子正负电荷中心发生相对位移，与电场方向一致。 这种取向极化会导致材料表现出较高的介电常数。
晶体结构与介电性
总结词
晶体结构的紧密程度和对称性对介电性产生影响，晶体中的离子或分子的相对位置和排列方式决定了 介电常数的大小。
详细描述
离子化合物是由正负离子通过离子键结合形成的化合物。在离子化合物中，正负离子的 相互作用较强，容易发生取向极化。当电场施加时，离子间的相互作用会导致正负离子 发生相对位移，与电场方向一致，从而表现出较高的介电常数。此外，离子化合物的介
电常数还与其离子半径、晶体结构和温度等因素有关。
03
前沿材料科学PPT课件
了解超导科学的产生发展和应用清华大学90周年校庆博士后学术报第四章半固态加工科学介绍半固态加工科学的基本情况包括半固态加工的基本概念特点加工技术等内容了解半固态加工的产生发展与其它科学的交叉和应用清华大学90周年校庆博士后学术报第五章超声加工科学介绍超声加工科学的基本情况包括超声加工的基本概念特点加工技术等内容了解超声加工的产生发展与其它科学的交叉和应用清华大学90周年校庆博士后学术报第六章激光加工科学介绍激光加工科学的基本情况包括激光加工的基本概念特点加工技术等内容了解激光加工的产生发展和应用清华大学90周年校庆博士后学术报主要教学参考书
第25页/共200页
光：
70年，美康宁公司，非氧化物玻璃光导纤维，成分为氟化物-氟化锆、氟化 钡、氟化钠多元氟化锆酸盐，光损耗极低0.16分贝/千米，3.6%
热：
固体气凝胶，由96%的空气和4%的二氧化硅、二氧化铝与碳制成，密度 最小的固体材料，隔热
按基体分：金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料
第11页/共200页
1 复合材料科学及其交叉
二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求， 传统材料力不从心，复合材料应运而生
第12页/共200页
1.1 复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题：军事装备的隐身问题
二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉
利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料 特点：可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世 美国隐形轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌
前沿材料科学
学时数：32 学分数：2.0
第1页/共200页
一、课程的目的： 了解复合材料科学、纳米科学、超导科学、半固态加工科学、超声加工科 学、激光加工科学等先进材料科学的基本原理、基础理论、技术方法、主 要特点与应用等内容
第25页/共200页
光：
70年，美康宁公司，非氧化物玻璃光导纤维，成分为氟化物-氟化锆、氟化 钡、氟化钠多元氟化锆酸盐，光损耗极低0.16分贝/千米，3.6%
热：
固体气凝胶，由96%的空气和4%的二氧化硅、二氧化铝与碳制成，密度 最小的固体材料，隔热
按基体分：金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料
第11页/共200页
1 复合材料科学及其交叉
二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求， 传统材料力不从心，复合材料应运而生
第12页/共200页
1.1 复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题：军事装备的隐身问题
二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉
利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料 特点：可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世 美国隐形轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌
前沿材料科学
学时数：32 学分数：2.0
第1页/共200页
一、课程的目的： 了解复合材料科学、纳米科学、超导科学、半固态加工科学、超声加工科 学、激光加工科学等先进材料科学的基本原理、基础理论、技术方法、主 要特点与应用等内容
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
18
.
二、聚合物（聚偏氟乙烯） 基复合材料体系中的能量储存
19
.
三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存
1 .
20
.
21
.
22
.
23
.
微晶玻璃的析晶机理
24
.
2 .
25
breakdown field of linear dielectric and larger polarization of
ferroelectrics.
16
.
17
.
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
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
37
.
Our works（Ⅲ）
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。
8
.
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，
polarization, smaller remnant polarization and moderate
breakdown field.
With development of new manufacturing processes of
materials，another two kinds of materials, glass-ceramic（微
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
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
.
26
.
27
.
3
Our works（Ⅰ）
.
28
.
29
.
30
.
31
.
32
.
33
.
Our works（Ⅱ）
34
.
35
.
36
.
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.
太阳能电池充电
锂离子电池
4
.
高储能密度介电电容器应用
5
.
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
6
.
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
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
1
.
背景（全球环境污染、气候变化）
能源问题????
2
.
呼唤清洁能源
3
.
清洁能源代替化能电容
7
.
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；
化、轻量化和集成化。
9
.
介质电容器的储能原理
10
.
介质电容器的储能原理
11
.
介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法
场效应管
12
.
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）
13
.
电容器的储能效率（η）
Energy-storage efficiency
线性电介质
14
.
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）
弛豫铁电体
15
典型铁电体 反铁电体
.
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
Composition of SrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2 system glasses
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
Jreco=1.4 J/cm3
18
.
二、聚合物（聚偏氟乙烯） 基复合材料体系中的能量储存
19
.
三、微晶玻璃（玻璃+陶瓷）材料体系中的能量储存
1 .
20
.
21
.
22
.
23
.
微晶玻璃的析晶机理
24
.
2 .
25
breakdown field of linear dielectric and larger polarization of
ferroelectrics.
16
.
17
.
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
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
37
.
Our works（Ⅲ）
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。
8
.
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，
polarization, smaller remnant polarization and moderate
breakdown field.
With development of new manufacturing processes of
materials，another two kinds of materials, glass-ceramic（微
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
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
.
26
.
27
.
3
Our works（Ⅰ）
.
28
.
29
.
30
.
31
.
32
.
33
.
Our works（Ⅱ）
34
.
35
.
36
.
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.
太阳能电池充电
锂离子电池
4
.
高储能密度介电电容器应用
5
.
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
6
.
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
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
1
.
背景（全球环境污染、气候变化）
能源问题????
2
.
呼唤清洁能源
3
.
清洁能源代替化能电容
7
.
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；
化、轻量化和集成化。
9
.
介质电容器的储能原理
10
.
介质电容器的储能原理
11
.
介质电容器的储能密度（J）测试方法一：静态法
场效应管
12
.
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）
13
.
电容器的储能效率（η）
Energy-storage efficiency
线性电介质
14
.
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）
弛豫铁电体
15
典型铁电体 反铁电体
.
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
Composition of SrO–BaO–Nb2O5–B2O3–CeO2 system glasses
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