Verbesserte Energiespeicherleistung und ultraschnelle Entladezeit in Wolfram-Bronze-Keramik

Es ist allgemein anerkannt, dass das Erreichen einer hohen Energiespeicherdichte und -effizienz in ferroelektrischen Keramiken von ihrer Fähigkeit abhängt, eine hohe Sättigungspolarisation und eine geringe Restpolarisation aufzuweisen, die für eine hervorragende Energiespeicherleistung unerlässlich sind. Darüber hinaus erfordert die Verbesserung der Energiespeicherdichte in ferroelektrischen Relaxorkeramiken auch eine höhere Durchschlagfeldstärke, ein wichtiger Faktor, der nicht übersehen werden sollte.

Ferroelektrische Keramiken mit Wolframbronze-Struktur (TB) besitzen einzigartige Strukturmerkmale, zahlreiche Mechanismen zur Regulierung der Zusammensetzung und die Fähigkeit, leicht Relaxationsverhalten herbeizuführen. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, bei geringerer elektrischer Feldstärke deutlich höhere Polarisationswerte zu erreichen, was ihre Energiespeicherleistung erheblich verbessert und ihre Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Energiespeicherung erweitert.

Daher ist es zwingend erforderlich, Strategien zur Erzielung einer außergewöhnlichen Energiespeicherleistung in ferroelektrischen Keramiken mit Wolframbronzestruktur zu untersuchen.

Ein Forscherteam hat nun veröffentlicht ein Artikel zu diesem Thema im Zeitschrift für moderne Keramik.

„In diesem Bericht haben wir tetragonale TB Sr4,5-xBaxSm0,5Zr0,5Nb9,5O30 (x = 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5)(SBSZN)-Keramiken hergestellt, indem wir die Strategie der Kodotierung mit Ba2+, Sr2+, Sm3+ im A-Platz und Zr4+ anstelle von Nb5+ im B-Platz verwendet haben, um die ferroelektrische Fernordnung aufzubrechen. Außerdem haben wir das Vorhandensein polarer Nanoregionen (PNRs) durch hochauflösende Durchstrahlungselektronenmikroskopie bestätigt und bestätigt, dass die kleinen PNRs von Natur aus das ferroelektrische Relaxationsverhalten von SBSZN-Keramiken hervorrufen“, sagte Changzheng Hu, Professor am College of Materials Science and Engineering der Guilin University of Technology (China), der sich hauptsächlich mit der Erforschung der ferroelektrischen und tribokatalytischen Eigenschaften von strukturierter Wolframbronzekeramik beschäftigt.

„Gleichzeitig wurde mittels SEM beobachtet, dass die Korngröße mit zunehmender Dotierungsmenge abnimmt. In Kombination mit dem Widerstandstest konnte bestätigt werden, dass die Verringerung der Korngröße zu einer deutlichen Zunahme des Widerstands führte, was wiederum zu einer Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfeldstärke führte“, sagte Prof. Hu.

Die Tests der dielektrischen Eigenschaften zeigten das typische temperaturabhängige Relaxationsverhalten der Dielektrizitätskonstante und des dielektrischen Verlusts. Es ist bemerkenswert, dass die Keramik mit x = 3,5 bei Raumtemperatur einen Curie-Peak aufweist, was auf ihre kontinuierliche Zusammensetzungsmodulation zurückzuführen ist. Diese einzigartige Eigenschaft trägt erheblich zu einer verbesserten Energiespeicherleistung bei.

„Durch Kombination der empirischen Vogel-Fulcher-Formel mit dem modifizierten Curie-Weiss-Gesetz und der Maxwell-Boltzmann-Verteilung lässt sich anhand des Dipoldynamikverhaltens analysieren, dass es aufgrund der geringen Größe der PNRs einfacher ist, die Energiebarriere zu überschreiten, und dass die schwache Kopplung zwischen den Dipolen den Dipolwechsel erleichtert, was zum Relaxationsverhalten von SBSZN-Keramiken führt“, fügte Prof. Hu hinzu.

Die bei den ferroelektrischen Tests in allen Keramiken beobachteten verlängerten Hystereseschleifen können auf die Störung der ferroelektrischen Fernordnung zurückgeführt werden, die ein ferroelektrisches Verhalten vom Relaxationstyp hervorruft.

„Die Keramik mit x = 3,5 weist aufgrund der Curietemperatur nahe der Raumtemperatur eine hohe Polarisation auf, während die geringe Größe der PNRs ihnen eine geringe Restpolarisation verleiht und sie daher eine ausgezeichnete Energiespeicherleistung aufweisen, indem sie eine Energiespeicherdichte von 4,31 J·cm-3 und eine Effizienz von 93,8 % bei einer Durchschlagsfeldstärke von 310 kV·cm-1 erreichen“, sagte Hu.

Aufgrund der deutlichen Verringerung der Korngröße und der daraus resultierenden Erhöhung des spezifischen Widerstandes und damit einer deutlichen Verbesserung der Durchschlagsfeldstärke weist die Keramik mit x = 4,5 auch hervorragende Energiespeichereigenschaften auf, die zu einer hohen Energiespeicherdichte von 5,3 J·cm-3 bei 460 kV·cm-1 und einem hohen Wirkungsgrad von 81,5 % führen.

„Der erhebliche Unterschied in der Größe der PNRs ist für den Unterschied in der Effizienz zwischen den beiden Keramikkomponenten verantwortlich, wobei die Keramik mit x = 3,5 PNR-Größen zwischen 11 und 23 nm aufweist und die Keramik mit x = 4,5 PNR-Größen um 150 nm hat“, sagte Hu.

Darüber hinaus zeigte die Keramik mit x = 3,5 unter Überdämpfungsbedingungen bei einer Feldstärke von 400 kV·cm-1 eine hervorragende Entladeleistung mit einer Entladeenergiedichte von bis zu 2,27 J·cm-3 innerhalb einer extrem kurzen Entladezeit (t0,9 ~ 34 ns). Darüber hinaus wurde unter hohen Unterdämpfungsbedingungen bei einer Feldstärke von 240 kV·cm-1 eine bemerkenswerte Lade-/Entladeleistung mit CD = 713,38 A·cm-2 und PD = 87,51 MW·cm-3 erreicht. Daher liefert diese Arbeit wertvolle Erkenntnisse zum Erreichen leistungsstarker Energiespeichereigenschaften auch bei schwachen elektrischen Feldern.

Damit Wolframbronze-Strukturkeramiken jedoch eine Kombination aus überlegenen Energiespeichereigenschaften erreichen können, muss das Potenzial der Kombination hoher Polarisation mit geringer Restpolarisation bei hohen elektrischen Feldstärken untersucht werden. In diesem Zusammenhang schlägt Hu auch mehrere mögliche Richtungen für zukünftige Untersuchungen vor, darunter die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit Polymeren und Chalkogeniden mit hohen Polarisationswerten.

Weitere Mitwirkende sind Yuejun Dan, Liupan Tang, Wenzhi Ning, Yingzhi Meng, Laijun Liu und Liang Fang vom College of Materials Science and Engineering der Guilin University of Technology.