Obtenir des performances de stockage d’énergie améliorées et un temps de décharge ultra-rapide dans la céramique tungstène-bronze

Il est largement reconnu que l’obtention d’une densité et d’une efficacité de stockage d’énergie élevées dans les céramiques ferroélectriques repose sur leur capacité à présenter une polarisation de saturation élevée et une faible polarisation résiduelle, qui sont essentielles pour d’excellentes performances de stockage d’énergie. De plus, l’amélioration de la densité de stockage d’énergie dans les céramiques ferroélectriques relaxatrices nécessite également une intensité de champ de claquage plus élevée, un facteur important à ne pas négliger.

Les céramiques ferroélectriques à structure tungstène-bronze (TB) possèdent des caractéristiques structurelles uniques, de nombreux mécanismes de régulation de la composition et la capacité d’induire facilement un comportement de relaxation. Ces attributs leur permettent d’atteindre des valeurs de polarisation nettement plus élevées à des intensités de champ électrique plus faibles, ce qui a un impact considérable sur leurs performances de stockage d’énergie et élargit leurs applications dans le domaine du stockage d’énergie.

Par conséquent, il est impératif d’étudier des stratégies permettant d’atteindre des performances exceptionnelles de stockage d’énergie dans les céramiques ferroélectriques structurées en tungstène-bronze.

Une équipe de recherche a maintenant publié un article sur ce sujet dans le Journal des céramiques avancées.

Français « Dans ce rapport, nous avons préparé des céramiques Tetragonal TB Sr4.5-xBaxSm0.5Zr0.5Nb9.5O30 (x = 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5)(SBSZN) en utilisant la stratégie de co-dopage avec Ba2+, Sr2+, Sm3+ dans le site A et Zr4+ au lieu de Nb5+ dans le site B afin de briser l’ordre ferroélectrique à longue portée, et confirmé la présence de nanorégions polaires (PNR) par microscopie électronique à transmission haute résolution, confirmé que les PNR de petite taille sont intrinsèques pour induire le comportement ferroélectrique de relaxation des céramiques SBSZN », a déclaré Changzheng Hu, professeur au Collège des sciences et de l’ingénierie des matériaux, Université de technologie de Guilin (Chine), principalement engagé dans la recherche sur les propriétés ferroélectriques et tribocatalytiques des céramiques structurées en tungstène-bronze.

« Dans le même temps, il a été observé par SEM que la taille des grains diminue avec l’augmentation de la quantité de dopage, et combiné avec le test de résistivité, il a été vérifié que la diminution de la taille des grains provoquait une augmentation significative de la résistivité, ce qui conduisait à l’augmentation de l’intensité du champ électrique de claquage », a déclaré le professeur Hu.

Les tests de propriétés diélectriques ont révélé le comportement de relaxation typique dépendant de la température de la constante diélectrique et de la perte diélectrique. Il convient de noter que la céramique x = 3,5 présente un pic de Curie à proximité de la température ambiante, ce qui peut être attribué à sa modulation compositionnelle continue. Cette propriété unique contribue de manière significative à une performance de stockage d’énergie améliorée.

« En combinant la formule empirique de Vogel-Fulcher avec la loi de Curie-Weiss modifiée et la distribution de Maxwell-Boltzmann, on analyse à travers le comportement dynamique des dipôles qu’en raison de la petite taille des PNR, il est plus facile de franchir la barrière d’énergie et le faible couplage entre les dipôles facilite le basculement des dipôles, conduisant ainsi au comportement de relaxation des céramiques SBSZN », a ajouté le professeur Hu.

Les boucles d’hystérésis allongées observées dans toutes les céramiques lors des tests ferroélectriques peuvent être attribuées à la perturbation de l’ordre ferroélectrique à longue portée, qui induit un comportement ferroélectrique de type relaxation.

« La céramique x = 3,5 présente une polarisation élevée en raison de la température de Curie proche de la température ambiante, tandis que la petite taille des PNR leur confère une faible polarisation résiduelle, et ils présentent ainsi d’excellentes performances de stockage d’énergie en obtenant une densité de stockage d’énergie de 4,31 J·cm-3 et une efficacité de 93,8 % à une intensité de champ de claquage de 310 kV·cm-1 », a déclaré Hu.

Attribuée à la diminution significative de la taille des grains entraînant une augmentation de la résistivité et donc une amélioration significative de l’intensité du champ de claquage, la céramique x = 4,5 présente également d’excellentes propriétés de stockage d’énergie, résultant en une densité de stockage d’énergie élevée de 5,3 J·cm-3 à 460 kV·cm-1 et un rendement élevé de 81,5 %.

« La différence significative dans la taille des PNR est responsable de la différence d’efficacité entre les deux composants de la céramique, la céramique x = 3,5 ayant des tailles de PNR comprises entre 11 et 23 nm, et la céramique x = 4,5 ayant des tailles de PNR autour de 150 nm », a déclaré Hu.

Français De plus, dans des conditions de suramortissement à une intensité de champ de 400 kV·cm-1, la céramique x = 3,5 a montré d’excellentes performances de décharge, avec une densité d’énergie de décharge allant jusqu’à 2,27 J·cm-3 dans un temps de décharge extrêmement court (t0,9 ~ 34 ns). De plus, des performances de charge/décharge remarquables caractérisées par CD = 713,38 A·cm-2 et PD = 87,51 MW·cm-3 ont été obtenues dans des conditions de sous-amortissement élevé à une intensité de champ de 240 kV·cm-1. Par conséquent, ce travail fournit des informations précieuses sur l’obtention de propriétés de stockage d’énergie à haute performance même dans des champs électriques faibles.

Cependant, pour que les céramiques structurales tungstène-bronze puissent combiner des propriétés de stockage d’énergie supérieures, il est nécessaire d’explorer le potentiel de combinaison d’une polarisation élevée et d’une faible polarisation résiduelle à des intensités de champ électrique élevées. À cet égard, Hu suggère également plusieurs directions possibles pour les recherches futures, notamment le développement de composites avec des polymères et des chalcogénures présentant des valeurs de polarisation élevées.

Parmi les autres contributeurs figurent Yuejun Dan, Liupan Tang, Wenzhi Ning, Yingzhi Meng, Laijun Liu et Liang Fang du Collège de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université de technologie de Guilin.