中國儲能網(wǎng)訊:高功率密度的介電電容器被廣泛應用于脈沖功率系統(tǒng)、電動汽車、石油鉆井等領域。隨著新型電子電學系統(tǒng)不斷集成化、微型化以及應用領域的多元化,對儲能介電電容器提出了“高溫化、高儲能密度和高儲能效率”的“三高”要求。然而,高溫化始終伴隨著擊穿場強和介電常數(shù)的下降,導致高溫化和高儲能特性無法共存。因此,如何在高溫區(qū)阻止介電常數(shù)、擊穿場強的下降成為獲得高溫高儲能特性的關鍵。
針對這一問題,西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬春蕊副教授與微電子學院劉明教授合作,通過選取17 mol% HfO2摻雜BaTiO3、1 mol% SiO2摻雜BaZr0.35Ti0.65O3和0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3三種無鉛鈦酸鋇基材料構建了一種應變和介電常數(shù)雙梯度的儲能薄膜電容器。以介電常數(shù)梯度來平衡薄膜中電場的分布,減緩電子在薄膜中的傳輸,提高擊穿強度。以應變梯度來提升高溫區(qū)的介電常數(shù),實現(xiàn)介電常數(shù)寬溫區(qū)內的穩(wěn)定性。在應變和介電常數(shù)雙梯度的協(xié)同作用下,使得無鉛鈦酸鋇基薄膜電容器的工作溫區(qū)提升至350℃,明顯高于現(xiàn)有商業(yè)X8R, X9R電容器的工作溫度。這一設計具有很強的普適性,為進一步提高介電電容器的高溫儲能特性開辟了新的途徑。
上述研究成果以《應變和介電常數(shù)雙梯度提高無鉛鈦酸鋇基薄膜高溫儲能特性》(Ultrahigh Temperature Lead-Free Film Capacitors via Strain and Dielectric Constant Double Gradient Design)為題發(fā)表在Small上,該工作是材料學院碩士生范江奇與博士生胡天翼在馬春蕊副教授指導下完成的。感謝微電子學院賈春林教授、馬傳生工程師在微觀結構表征方面的支持。材料學院馬春蕊副教授與微電子學院劉明教授為該文章的通訊作者。西安交通大學金屬強度國家重點實驗室為該論文的第一作者和通訊作者單位。該研究得到國家自然科學基金、國家“973”項目、西安交大青年拔尖人才計劃等項目的資助。