介質電容器作為電池和電化學電容器的一種綠色、可持續、有競爭力的技術，具有高電荷存儲能力，具有成本低、循環壽命長、工作溫度範圍寬、環境友好、耐高溫等優點。性好，可靠性好。

最重要的是，由於其無與倫比的充放電速度，它們在超高功率密度方面優於其他技術。這些特性為它們在電力領域創造了許多應用電子設備和脈衝功率設備。在介電電容器中，鐵電電容器可以提供高能量密度由於電極化程度大，因而受到越來越多的關注。

最近，中國濟南齊魯工業大學歐陽軍和朱涵飛領導的材料科學家團隊報告了一種有效的策略，旨在透過建造簡單的三層結構，實現鐵電電容器的儲能密度、效率和穩定性的同步提高。性能的普遍有效途徑。

該團隊將他們的工作發表在先進陶瓷學報。

「在這份報告中，我們提出了一種策略，透過建造三層薄膜來同時提高鐵電電容器的能量儲存性能和穩定性，其中結晶良好的鐵電層被兩個具有主要非晶結構的偽線性介電層夾在中間」。

「我們在溶膠-凝膠衍生的 BaTiO 中成功實施了這項設計策略₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/鈦酸鋇₃透過快速熱退火形成三層薄膜。這種夾層薄膜被賦予了很大的能量密度W_記錄（~80 焦耳/厘米³）和高效率（~86%），尤其是出色的循環穩定性，可承受 10⁹電動自行車。

齊魯工業大學化學化工學院副教授朱涵飛表示：「這項創新工作將為夾層鐵電薄膜在電力系統和先進脈衝放電裝置中的應用鋪平道路。」中國），以及一位研究興趣集中在鐵電和多鐵材料領域的青年專家。

「與電化學儲能係統相比，介質電容器的低能量密度是致命的應用瓶頸，特別是在小型化設備和整合系統中，」朱瀚飛說。

由於其大的電極化，鐵電薄膜電容器在提供高能量密度方面顯示出巨大的潛力。然而，極化 (P) 和擊穿強度 (E) 之間存在權衡，通常呈負相關。乙_{）且鐵電薄膜更容易產生損耗，嚴重限制了能量密度和效率的進一步提高。}除此之外，薄膜電容器也容易受到電路溫度、工作頻率和負載率變化所造成的潛在損壞。

“因此，如何努力打破或減輕極化、擊穿強度和損耗之間的耦合，從而提高儲能性能以及在寬溫度、頻率和循環時間下的穩定性已成為鐵電薄膜電容器面臨的挑戰， ”朱寒飛說道。

針對上述問題，朱教授團隊提出了一種有效的策略，旨在透過建構簡單的三層薄膜結構（中間夾有結晶良好的鐵電層），實現鐵電薄膜電容器儲能密度、效率和穩定性的同步提高。

研究團隊提供了三明治BaTiO的範例₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/鈦酸鋇₃透過低成本溶膠凝膠法結合快速熱退火（RTA）製程在 Pt 塗覆的矽基板上製備薄膜。

夾層薄膜中完全結晶的PLCT層和具有一些獨立分佈的奈米晶簇（NC）的非晶BTO層共同作用，產生大的能量密度W_記錄（~80 焦耳/厘米³）和高效率h（〜86％），特別是其在不同溫度（25-150℃）、頻率（20Hz-10kHz）和充放電循環（高達至 10⁹週期）。

「我們的工作表明，透過共同設計奈米晶分散的非晶態和全結晶相結構的夾層薄膜可以成為增強在惡劣環境下工作的鐵電電容器儲能性能的有效途徑，」朱瀚飛說。

更多資訊：Jinpeng Liu 等人，協同提高溶膠凝膠處理 BaTiO 的儲能性能和穩定性₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/鈦酸鋇₃具有結晶工程夾層結構的三層薄膜，先進陶瓷學報（2023）。DOI：10.26599/JAC.2023.9220821

提供者：清華大學出版社