电介质储能薄膜的研究现状及提高储能密度的方法

刁春丽^1,2，董乐³，杨毅¹，刘韩星²

1. 河南大学物理与电子学院2. 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室3. 国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心

摘 要：随着能源危机和环境污染问题的日益突出,新能源的研发是当前人们密切关注的重要研究领域之一。除新能源的收集外,能量的存储也日益受到人们的重视。常见的储能器件有电池、燃料电池、超级电容器和电介质电容器等。其中电池和燃料电池的能量密度高,但功率密度低;传统电介质电容器的功率密度高,但储能密度低;超级电容器的功率密度和能量密度介于电池和传统电容器之间。电介质电容器具有介电常数高、介电损耗低、功率密度高、充/放电速度快、工作电压/电流大、可靠性好、温度稳定性好等优点,已经被应用于脉冲功率器件领域。双轴拉伸聚丙烯(BOPP)已经实现了商业化应用。但电介质电容器固有的储能密度较低,限制了其应用范围。如何提高电容器的储能密度成为亟待解决的一个关键问题,也是目前人们研究的重点。与块体材料相比,薄膜电容器的耐压强度高,因此其储能密度高。本文的关注点就是无机储能薄膜的研究现状及提高其储能密度的方法。目前已经对储能薄膜开展了大量的研究,其结构体系有很多,如钙钛矿结构、铋层状结构、焦绿石结构、单金属氧化物薄膜等。其中钙钛矿结构薄膜是研究最早、最多的一类。目前,用磁控溅射或激光脉冲沉积制备的无铅钙钛矿结构薄膜的储能密度达100 J/cm~3以上。然而,由于薄膜制备方法多、工艺复杂,会产生很多因素影响其性能,特别是储能密度。薄膜工艺的可重复性和性能的稳定性是非常重要的。综合文献资料可知,提高储能密度的方法主要有:(1)元素掺杂或多相复合形成固溶体,可以提高极化和耐压强度,从而提高储能密度,该方法是一种比较简单易行的常见方法;(2)制备工艺的改进也可以提高薄膜的储能密度,改进的方法有退火工艺、局域场工程、取向、应力、电极等方面的调控;(3)叠层结构等异质结构界面调控是近年来兴起的一种提高薄膜储能密度的方法,已取得明显效果。本文概述了评价电介质储能特性的主要参数,简要介绍了电介质的分类,归纳了钙钛矿结构、焦绿石结构、氧化物结构等几类储能薄膜的研究现状,分析总结了提高薄膜储能密度的方法,最后对无机储能薄膜的发展趋势进行了展望,以期对无机储能薄膜的研发提供一定的参考。

关键词：电介质;储能;薄膜;改性;储能密度;