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西安交大研究人員在介質(zhì)儲(chǔ)能電容器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的深度發(fā)展，能源危機(jī)愈演愈烈，新能源技術(shù)的開發(fā)與利用已經(jīng)成為關(guān)乎人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵所在。電介質(zhì)儲(chǔ)能電容器作為一種重要儲(chǔ)能器件，在功率密度、充放電速率與服役壽命等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，但受低儲(chǔ)能密度等因素的影響，其進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到極大限制。電介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能密度，重要受到極化強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)兩個(gè)因素的影響，且二者之間還存在著此高彼低的倒置關(guān)系。因此，破解電介質(zhì)材料中極化強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的倒置關(guān)系，已成為開發(fā)高性能電介質(zhì)儲(chǔ)能電容器的重中之重。
汪宏教授課題組從仿生工程的視角出發(fā)，在BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.5)O3基體中設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種具有類樹莓形態(tài)的多級(jí)核殼結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能陶瓷材料，突破了傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)復(fù)相陶瓷以犧牲部分極化強(qiáng)度為代價(jià)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)策略，成功實(shí)現(xiàn)了極化強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的協(xié)同優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度的極大提升。該工作通過(guò)對(duì)類樹莓結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷在納米尺度上的界面組成、分布狀態(tài)與宏觀性能（極化強(qiáng)度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)）之間內(nèi)在關(guān)系的深入探索，并結(jié)合有限元仿真技術(shù)對(duì)擊穿過(guò)程的動(dòng)態(tài)直觀解析，深刻揭示了該結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)能性能的增強(qiáng)機(jī)制。最終，在BT-BMZ基全無(wú)機(jī)樹莓結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料中獲得了3.41J/cm3的儲(chǔ)能密度與85.1%的儲(chǔ)能效率，并實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能性能在30~150℃溫度范圍內(nèi)的超高穩(wěn)定性。
上述研究成果以“Bioinspiredhierarchicallystructuredall-inorganicnanocompositeswithsignificantlyimprovedcapacitiveperformance”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊AdvancedFunctionalMaterials（IF=15.62）上，并被評(píng)選為封面論文（backcover）。西安交通大學(xué)功能材料研究中心博士生袁啟斌為本文的第一作者，汪宏教授與姚方周博士為本文的共同通訊作者，西安交通大學(xué)為本文的第一作者和第一通訊單位，南方科技大學(xué)、清華大學(xué)與美國(guó)賓州州立大學(xué)為本文合作單位。該研究工作是汪宏教授課題組在電介質(zhì)儲(chǔ)能領(lǐng)域多項(xiàng)研究成果發(fā)表在AdvancedMaterials，NanoEnergy，JournalofMaterialsChemistryA等國(guó)際著名期刊后的又一重要成果。
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
