高储能密度介电材料研的究进展

介电材料研究进展

高储能密度介电材料的研究进展/黄佳佳等

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高储能密度介电材料研的究进展黄佳佳张,

-

勇陈继春,

,

(清华大学核能与新能源技术研究院精细陶瓷北京市重点实验室

北京

10 0 0 8 4 )一

摘要

介绍了电介质材料储能密度的概念和测童方法分别对陶瓷材料聚合物材料和陶瓷聚合物复合介电"

,

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材料的研究进展进行了概述关键词nv e

在此基础上指出在复相介电材料制备方法组分优选表面改性和加工工艺等方面进"

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行深入研究是进一步提高电介质材料储能密度的有效途径储能密度电容器介电材料

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随着能源需求的不断增加和化石燃料的持续消耗提高传统能源利用效率和拓展新能源实用范围的问题日益凸显储"

,

测得的储能密度一般高于直流电场下的测量值实际应用中储存在材料中的能量往往不能完全释放只有释放出的一部分,

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,

能电容器具有储能密度高充放电速度快抗循环老化适用于高温高压等极端环境和性能稳定的优点符合新时期能源利用的要求在电力电子系统中扮演着越来越重要的角色,!"

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能量才能加以

利用因此所谓的储能密度是指在某种测试条件下材料在一定电场强度下的可释放能量密度,"

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在电场强度为J一

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的电场下电位移 D的微小变化量 d D引E

,

料科学的发展储能电容器仍有较大的发展空间

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改善其储能"

起的能量密度变化量为

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: )表示储能密度可用式 ( 1

特性的关键是研发高储能密度介电材料,!

"

高储能密度介电材料的开发和应用仅有 5 0多年历史,

在:

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民用方面太阳能风能等新能源发电系统以及混合动力汽车

的逆变设备中储能电容器是不可或缺的组成部分但由于介电材料储能密度较低使得储能电容器占整个逆变设备体积的 0%;在军事应用方面坦克电磁炮定向能武器电气化发射 4,! ! !

式中 J为储能密度 D~饱和场强下的电位移对于氧化铝石蜡和大多数聚合物等普通介电材料而言D一" E (",,

,

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为介电常数 )介电常数与电场无关 D与 E呈线性关:

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储能密度可表示为i J= l/ 2

平台以及综合全电力推进舰艇等负载都需要高达,

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的工如图

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(2)

作电流如此高的电流只能由高储能密度电容器提供:[l一- s"

应用于脉冲功率源的储能电容器需耐受 IM V以上的高压并且形成高能脉冲的持续时间不低于 1 0由此可见新技术的发展对提高介电材料的储能特性进而实现设备的轻量化微型化!

1

a )中三角形阴影面积所示提高线性介电材料储能 (

密度的途径是提高材料的介电常数和耐压强度

线性介电材料

,

储能密度一般可以达到!

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对于钦酸钡钦酸惚等铁电体和某些具有铁电性的聚合物而言电位移 D与电场强度 E呈非线性关系介电常数的大小,,

和满足特殊用途提出了更高的要求

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1

储能密度根据经典电磁学理论的定义材料的储能密度是指单位体,,"

依赖于外加电场开始储能"

当外加电场强度超过矫顽电场强度时材料由于存在电滞效应和剩余极化储存在材料中的电,,,

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c耐积容纳的电能普遍使用的单位为 J/:,

研究发现储能密度,"

,

能并不能完全释放有效储能密度应去掉能量损失部分 (电滞回 )中曲边三角形的阴影部线闭合部分 )可释放的电能为图 1 ( b

与外加电场强度有

关外加电场强度越大测得的储能密度越大;当外加电场临近击穿场强时材料的储能密度达到最大值此外储能密度的大小还与测试条件有关比如在脉冲条件下,,

分面积,

"

铁电体的储能密度取决于击穿场强的大小剩余极化"

!

强度与饱和极化强度之间的差值以及电滞回线的闭合面积,

因

此材料首先要有尽可能高的击穿强度其次要有高介电常数

二

北京市自然科学墓金 ( 2 0 8 2 0 1 2 ):,

黄佳佳男

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