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《上海硅酸盐所在高储能新型无铅介质陶瓷材料研究方面取得系列进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-11-15

  • 随着不可再生能源的不断消耗和环境问题的日益严峻，开发和利用高性能、环保型储能材料成为当前科技和产业界的研究热点。介质储能电容器因其具有功率密度高、充放电速度快、稳定性优异和制造成本低等优势，在汽车电子、通信、航空、航天和尖端技术等领域显示出巨大的应用前景。

    近年来，中国科学院上海硅酸盐研究所董显林研究员团队开展了储能电容器用新型无铅介质材料的研究工作，并取得了系列研究成果。该团队以钛酸钡（BaTiO3）为基体，设计并合成了一种新型高性能BaTiO3基弛豫铁电体（BaTiO3-Bi(Zn1/2Sn1/2)O3）储能介质材料。通过在BaTiO3基体中引入Bi(Zn1/2Sn1/2)O3，形成A位、B位离子无序，破坏了铁电长程有序，将铁电畴转化为极性纳米微区。利用极性纳米微区在外加电场下的快速响应，显著提高材料的储能密度和储能效率。该介质材料不仅兼具高储能密度（2.41 J/cm3）和高储能效率（91.6%），而且其储能特性还表现出优异的温度（20~160℃）、频率（1~1000Hz）和疲劳（105次循环）稳定性，可满足X8R电容器的要求。相关研究阐明了储能特性的高稳定性来源于极性纳米微区的“弱耦合弛豫行为”。该工作以Hot Paper的形式发表在Journal of Materials Chemistry C (J. Mater. Chem. C, 2018,6, 8528-8537)上。

    小型化和轻量化一直是储能电容器的重要发展趋势。为此，该团队聚焦尚无文献报道的铌酸钠（NaNbO3）体系。NaNbO3的体积密度仅为4.55g/cm3, 相比铁酸铋(8.37g/cm3)、钛酸钡(6.02g/cm3)、钛酸铋钠 (5.977g/cm3)等其它无铅介质材料体系，它在储能电容器的轻量化方面具有明显的优势。然而，电场诱导的亚稳态铁电性和碱金属钠元素挥发导致的耐电强度低制约了NaNbO3在储能方面的应用。该团队先后采用顺电体调控和A位空位策略来增强NaNbO3的储能特性，构筑了两种新型的NaNbO3基储能介质陶瓷材料：NaNbO3-SrTiO3和Na1-3xBixNbO3。这两种NaNbO3基储能介质陶瓷材料均表现出了优异的储能特性、充放电特性及稳定性，其中Na1-3xBixNbO3的综合储能特性（储能密度：4.03J/cm3、储能效率：85.4%、功率密度：62.5 MW/cm3）为目前文献报道的最优值。该工作为NaNbO3材料开辟了新的应用方向，同时也为设计高储能无铅介质材料提供了新的方法和思路。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2018,6, 17896-17904)和ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10, 12755-12765）上。

    以上系列研究工作的论文第一作者是博士研究生周明星，论文共同通讯作者为董显林研究员和梁瑞虹研究员。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=333483
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    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-05-28
    • 铁电陶瓷具有储能密度高、放电速度快、贮存性能稳定等特点，在近代科学和高新技术领域中具有重要应用。传统铁电材料中钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称 PZT ）系列是应用面最广的铁电材料，也是目前国际上公认的、实现能量存储和爆电换能的理想材料。但是，随着新技术对高性能铁电材料需求的增加和环境友好型社会的发展，探索新型无铅铁电材料体系变得越来越迫切。 近日，中国科学院上海硅酸盐研究所董显林研究员和王根水研究员带领的研究团队发现了一种新型、高性能、无铅铁电材料 ( Ag 0.935 K 0.065 ) NbO 3 （ AKN ），该材料比目前所用的含铅铁电陶瓷具有更高的能量存储密度和更好的温度稳定性，可用于能量存储和爆电换能。该项工作提供了一种环境友好的铁电陶瓷材料，相关研究成果发表在 Science Advances 上，论文第一作者为中国科学院上海硅酸盐研究所与澳大利亚国立大学联合培养博士生刘振，王根水研究员和刘芸教授为文章共同通讯作者，上海硅酸盐所为论文第一单位。 新材料的设计采用 AgNbO 3 （ AN ）作为反铁电相， KNbO 3 （ KN ）作为铁电相构筑铁电 —— 反铁电相界，通过改变铁电相 KN 的含量实现 AKN 铁电陶瓷性能和相变压力的调控。与传统 PZT 系列铁电陶瓷相比， AKN 铁电陶瓷具有更优异的储能密度和温度稳定性，使其在能量存储和爆电换能应用中具有更优异的综合性能。通过与澳大利亚国立大学刘芸教授的团队和美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授的团队合作，结合透射电镜分析、压力条件下原位中子衍射分析和唯象理论计算，揭示了 AKN 铁电陶瓷爆电换能行为的物理机制为压力诱导的氧八面体旋转从 a-a-c+ 型 转变为 a-a-c-/a-a-c+ 型 ，这与压力诱导的、不可逆的铁电 - 反铁电相变有关。 以上研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中国科学院仪器研制项目、中国科学院青促会和上海市扬帆计划等项目的资助。
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  • 《上海硅酸盐所在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-06-21
    • 铽铝石榴石（ Tb 3 Al 5 O 12 ， TAG ）在可见和近红外波段具有较高的光学透过率和较大的 Verdet 常数， 被认为是用于法拉第隔离器的最理想材料之一。但 由于 TAG 的非一致熔融特性，其晶体制备十分困难，所以一直未实现实际应用。而陶瓷的制备可以避免非一致熔融过程，使得 TAG 介质的优良特性得以实现。与单晶相比， TAG 磁光陶瓷还具有易于制备大尺寸、抗热震性好、断裂韧性高等优点，具有良好的应用前景。 　　 　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所 李江研究员 带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要进展。该团队采用共沉淀法合成了 0.5at% Ho:TAG 纳米粉体，再结合真空烧结及热等静压后处理（ HIP ）技术制备得到了具有优异光学质量和磁光性能的 Ho:TAG 透明陶瓷，该材料在 1064 nm 波长处的直线透过率达到 81.9% ， 在 632.8 nm 处的 Verdet 常数为 -183.1 rad·T -1 ·m -1 ，比商用 TGG 单晶高 36% 。相关研究成果发表于国际著名期刊 Scripta Materialia （ 2018 ， 150: 160-163 ） 上，论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生戴佳卫，通讯作者为李江研究员。该工作获得了审稿人的高度评价，审稿人认为 “ This is a novel paper on magneto-optical Verdet constant data on a transparent ceramic material that is quite hard to grow as a single crystal ” 。鉴于该工作的影响力，研究团队随后受 Scripta Materialia 期刊主编 Subhash H. Risbud 博士（美国加州大学戴维斯分校教授）邀请撰写了关于磁光陶瓷领域的观点类文章“ Promising Magneto-optical Ceramics for High Power Faraday Isolators ”，并以 Viewpoint Paper 的形式发表在 Scripta Materialia （ 2018, DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.06.031 ） 上。 　　 　　近年来，李江研究员团队开展了关于 TAG 磁光透明陶瓷的研究工作，并取得了系列研究成果。该团队首先以商业氧化物粉体为原料，采用固相反应法结合真空烧结技术来制备 TAG 磁光透明陶瓷，对粉体性能和陶瓷性能进行了系统研究，揭示了固相反应烧结过程中原料粉体的重要性 （ Optical Materials, 2016, 62: 205-210 ） 。针对商业氧化铽粉体存在的团聚问题，该团队又通过沉淀法自主合成了分散性相对较好的氧化铽纳米粉体并以此为原料来制备 TAG 透明陶瓷，其光学透过率和商业粉制备的陶瓷相比有所提升 （ Optical Materials, 2017, 73: 706-711 ） 。与固相反应法相比，湿化学法合成粉体能够实现元素在原子水平的均匀混合，同时得到的粉体分散性和化学均匀性都较好，有利于后期透明陶瓷烧结。鉴于此，该团队又采用反滴共沉淀法成功合成了纯相 TAG 纳米粉体，对粉体性能进行了系统的研究和优化 （ Optical Materials, 2017, 73: 38-44 ； Ceramics International, 2017,43(16): 14457-14463 ） 。进一步地，在 TAG 纳米粉体中添加正硅酸乙酯（ TEOS ）作为烧结助剂并进行球磨后处理，结合后续的真空及热等静压烧结成功制备了在 1064 nm 波长处直线透过率为 81.4% 的 TAG 磁光陶瓷 （ Optical Materials, 2018, 78:370-374 ） 。这是国际上首次报道通过湿化学法成功制备高光学质量的 TAG 磁光陶瓷。 　　 　　近期，该研究团队又通过顺磁性稀土离子掺杂对 TAG 陶瓷进行了性能调控，并取得了新的研究进展。他们以离子半径和 Tb 3+ 接近的 Ce 3+ 和 Pr 3+ 为改性离子，成功制备了高光学质量的 Ce:TAG 和 Pr:TAG 磁光陶瓷。研究发现，由于掺杂离子对晶体场的影响以及和 Tb 3+ 之间存在超交换作用，掺杂后 TAG 磁光陶瓷的 Verdet 常数均有所提升，其中 2.0at% Ce:TAG 透明陶瓷在 632.8 nm 处的 Verdet 常数达到 -196.2 rad·T -1 ·m -1 ， 比 TAG 陶瓷和商业 TGG 晶体 分别提高了 9% 和 46% （ Scripta Materialia ， 2018, 155 ： 46-49 ） 。 　　 　　以上系列研究工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。 　　
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