蔡子明老师在无铅储能陶瓷领域取得重要进展

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2020年1月17日，教育部、国家发展改革委和国家能源局三部门联合印发《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》，指出储能技术的创新突破将成为带动全球能源格局革命性、颠覆性调整的重要引领技术。我校2020年重点拓新方向之一就是储能技术。
       电介质电容器以其超快速的充放电速率、良好的储能特性和高可靠性，在关键医学设备、混合动力汽车、航空航天和先进电磁武器等大功率储能和脉冲功率系统中可以发挥关键的作用。然而，电介质电容器的储能密度相较于电池和电化学电容器等偏低，限制了其进一步的应用。近年来，多层陶瓷电容器（MLCC）因其（1）陶瓷电介质薄层化能有效提高其击穿强度进而提高储能密度；（2）叠层结构能有效提高电容量和储能总量；（3）易于表面贴装；（4）耐高温等特点，在储能领域的应用引起很大的关注。

       近日，中国矿业大学材料与物理学院固废利用与高性能陶瓷团队蔡子明副教授与清华大学材料学院王晓慧教授课题组深入合作，通过多尺度优化设计成功制备出了兼具超高的储能密度（18.24 J/cm3），超高的储能效率（94.5%），快速充放电（450 ns），优异的温度稳定性（25~190℃性能变化<10%）和循环稳定性（5万次循环性能变化<±2%）的钛酸钡基无铅储能MLCC。
       钛酸钡基无铅储能MLCC在原子尺度上，向BaTiO3（BT）中引入Bi(Zn2/3(Nb0.85Ta0.15)1/3)O3（BZNT），将具有长程有序畴结构的铁电体转变为具有极性纳米微区的弛豫铁电体，可以有效降低体系在电场中响应的滞后性；在晶粒尺度上，向BT-BZNT晶粒表面引入高绝缘和高击穿强度的SiO2包覆层，可以大幅增强体系的击穿强度；在器件尺度上，在电极与电介质的界面处引入SiO2阻挡层，可以有效降低漏电流和电场集中程度，从而使击穿强度，储能效率，温度稳定性和可靠性得到较大的改善。在多尺度优化策略的指导下，作者利用两段式无压烧结方法制备了以60Ag/40Pd为内电极的具备优异储能性能的BTBZNT@SiO2 MLCC。两段式无压烧结使得MLCC具有细小均匀的纳米晶，可以有效提高其击穿强度，储能效率，直流偏压特性和可靠性；
       该工作以“Ultra-high energy storage performance in lead-free multilayer ceramic capacitors via multiscale optimization strategy”为题，在线发表于能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science（影响因子：30.289）。清华大学博士生赵培尧和我院蔡子明副教授为论文共同第一作者，清华大学王晓慧教授、南方科技大学汪宏教授为论文共同通讯作者。
       论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee03094e


       文章来源：中国矿业大学
       蔡子明，男，1992年5月生，江苏徐州人，中共党员，清华大学工学博士，导师为中国工程院院士李龙土教授。主要研究兴趣包括铁电介电陶瓷材料与器件的设计与制备、电介质材料击穿的相场模拟、聚合物陶瓷复合材料、有限元仿真等。在国内外期刊上发表论文30余篇，其中第一作者身份发表SCI论文15篇。
       王晓慧，清华大学材料学院教授，长江特聘教授，博士生导师。先后发表学术论文近 200 余篇，其中 SCI 收录论文 160 多篇，学术成果曾在《Nature》杂志上发表。申请发明专利 24 项，其中 16 项已获授权（包括 3 项美国专利和 1 项日本专利）。主要研究方向有：功能纳米材料的合成、结构与性能的研究；功能纳米陶瓷无压烧结机理与尺寸效应的研究；新型高性能多层片式元器件的材料组成、结构及关键制备技术；功能陶瓷簿膜材料的制备与应用；介孔材料的制备与性能的研究等。
        汪宏，国家杰出青年科学基金获得者、教育部特聘教授、国务院政府特殊津贴专家，中华全国总工会全国女职工建功立业标兵。现任南方科技大学工学院党委书记、副院长，材料科学与工程系讲席教授。汪宏教授长期从事电子信息材料与器件的应用基础研究，在电子材料领域低温烧结微波介质材料、陶瓷-聚合物多功能复合材料、微波介电性能测试技术等方向上取得了创新性研究成果。负责完成了国家 “863”计划重大项目、“973”计划项目、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国际合作和企业横向合作等多个项目与课题的研究，正在承担的课题包括国家重点研发计划、973计划、国家自然科学基金和企业横向合作等项目。研究成果在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Journal of American Ceramic Society等国际著名期刊发表SCI论文290多篇，获授权中国发明专利32项、美国发明专利1项，参与制定并获准1项IEC国际标准，部分成果初步获得实际应用。曾组织主持众多国际学术会议、在多个国际学术会议做主旨报告和特邀报告50多次。2003年获教育部提名国家自然科学奖一等奖（第二获奖人）和陕西省科学技术奖二等奖 (第二获奖人)。现任中国硅酸盐学会理事会理事，亚洲电子陶瓷联盟主席，IEEE超声铁电与频率控制学会Women-In-Engineering(WIE)主席，IEEE国际铁电委员会委员等，IEEE 超声铁电与频率控制会刊（IEEE TUFFC）副编辑，IET Nanodielectrics、Journal of Advanced Ceramics、《硅酸盐学报》编委，中国硅酸盐学会第九届理事会理事，中国硅酸盐学会微纳技术分会第一届理事会副理事长，中国仪器功能材料学会电子元器件关键材料与技术专委会常务副主任，中国电子学会元件分会第十一届委员会委员等。