西安交大科研成果大幅提高用于脉冲功率系统的陶瓷电容器储能密度

作为一种重要的储能电子元件，陶瓷电容器具有放电功率高、温度稳定性好和循环寿命长等优点，在先进电子和电力系统中起着至关重要的作用，特别是在脉冲功率技术领域有着不可替代的应用。当前，电子器件正向小型化、轻型化方向发展，这也对陶瓷电容器的储能密度提出了更高的要求。

近日，西安交通大学电信学部徐卓、李飞教授课题组基于钙钛矿晶体电致伸缩效应的各向异性特点，提出了一种新的设计思路，即通过控制晶粒取向来降低陶瓷电容器在强场下所产生的应变和应力，避免微裂纹和拉伸应力所导致的陶瓷击穿，从而提高其击穿电场强度和储能密度。为了实现这一想法，课题组通过近两年时间的技术攻关，首次合成了<111>取向的钛酸锶模板，进而，利用流延—模板法成功制备了织构度达91%的高质量<111>取向钛酸锶铋钠(NBT-SBT)多层织构陶瓷电容器，大幅降低了陶瓷在强场下的电致应变，提高了击穿电场(100 MV m-1)，获得了高达21.5 J cm-3的储能密度，这是目前已知陶瓷电容器的最高值。该研究所提出的材料设计思路可广泛应用于其他电子功能陶瓷，如基于电卡效应的固态制冷陶瓷等，提高它们在强场条件下工作的稳定性和可靠性。

a:Ba6Ti17O40前躯体的电子显微镜照片；b:<111>取向钛酸锶模板的电子显微镜照片

a:<111>取向钛酸锶铋钠(NBT-SBT)多层织构陶瓷电容器照片;b:<111>取向NBT-SBT多层织构陶瓷横截面的电子显微照片

c:放大后的电子显微照片;d:<111>取向NBT-SBT陶瓷的晶粒取向分布图

a:NBT-SBT多层陶瓷应变与电场的关系;b:<111>取向多层陶瓷极化强度与电场的关系

c:<111>织构陶瓷的储能密度与其他陶瓷材料的对比

该论文的第一作者和通讯作者分别为西安交大电信学部博士后李景雷和教授李飞，共同通讯作者为哈尔滨工业大学副教授常云飞和澳大利亚伍伦贡大学教授张树君。武汉理工大学研究员沈忠慧和西安交大航天航空学院教授李群课题组完成了该论文中的有限元仿真工作。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、西安交通大学青年拔尖人才计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。同时，该项研究中扫描电镜表征分析工作得到了西安交通大学分析测试中心工程师任子君和贾春林科学家工作室工程师代艳竹的支持。