仪器学院在高性能织构陶瓷储能电容器研究方向取得重要进展

哈工大报讯（仪器/文）近日，仪器学院常云飞副教授研究组与西安交通大学、澳大利亚伍伦贡大学等单位合作发表了关于多层织构陶瓷储能电容器的最新研究成果。该成果以《用于能量储存的晶粒择优取向多层陶瓷电容器》（“Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications”）为题，刊发于国际学术期刊《Nature Materials》（《自然·材料》）。常云飞为论文共同通讯作者之一。    

陶瓷电容器以高放电功率、快充放电速率和抗衰退循环等优势，在电子、通讯、交通和脉冲功率器件等众多领域有着广泛的需求。大电容容量、尺寸小型化和高耐压等特点是陶瓷电容器的发展趋势。然而，目前制约陶瓷电容器发展的一个主要问题是较低击穿电场强度导致的低储能密度。

基于钙钛矿结构电致伸缩效应的各向异性特点，研究团队提出了一种新的设计思路，即通过控制陶瓷晶粒取向（织构工程）来降低电容器在外场刺激下产生的应变和应力，避免微裂纹和拉伸应力所导致的陶瓷击穿，从而提高击穿电场强度和储能密度。研究团队巧妙地运用局部化学微晶转化法制备了径厚比高的钛酸锶模板，然后基于模板晶粒生长技术首次制备了沿<111>择优取向且织构度达91%的钛酸锶铋钠(NBT-SBT)多层陶瓷电容器，将其击穿电场提高至100 MV m-1，获得了高达21.5 J cm-3的储能密度，为目前已知陶瓷电容器的最高值。该研究为突破制约陶瓷电容器发展的技术难题提供了新设计思路，并且该思路可广泛应用于提高其他电子功能陶瓷的强场工作稳定性和可靠性，如基于电卡效应的固态制冷陶瓷等。

图1 多层陶瓷电容器单个陶瓷层的应变和弹性能分布的有限元模拟：(a) 陶瓷电容器和单陶瓷层示意图；沿<100>，<110>和<111>取向的钙钛矿样品的(b) 局部位移、(c) 应力局域分布和 (d) 局部弹性能密度。

图2 <111>多层织构陶瓷电容器的取向结构特征及其储能特性：(a) 钛酸锶模板和(b, c) <111>多层织构陶瓷电容器的截面显微照片；织构陶瓷的(d) XRD图谱和(e)晶粒取向分布图；(f) 多层织构陶瓷电容器照片；(g) 随机取向以及分别沿<001>和<111>取向的多层陶瓷应变与电场的关系；(h) <111>取向多层陶瓷极化强度与电场的关系；(i) <111>取向多层织构陶瓷与文献报道的陶瓷材料储能密度对比。

该研究工作得到国家自然科学基金委面上项目和黑龙江省自然科学基金优秀青年项目等支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x