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电介质储能材料研究进展(上)

2024/7/16 18:11:59发布29次查看
能源与环境是当今世界面临的zui大问题和挑战。如何有效的储存能量、减少能量损耗和减轻环境负担是近年来研究人员关注的热点问题。大多数的可再生能源必须首先转换成电能,虽然电能可以通过电缆长距离输送到需要的地方,但是由于需求不同,仍然需要发展有效的电能储存技术。
常用的电能储存器件有电池、超级电容器和电介质电容器等。电池虽然具有zui高的储能密度(10-300w·h/kg),但是功率密度低(<500w/kg),而且电池对环境的危害也比较大。超级电容器具有中等的储能密度(<30w·h/kg)和功率密度(10~106w/kg),但是结构复杂、操作电压低、漏电流大和循环周期短。相比较而言,电介质电容器不仅具有zui高的功率密度(约108w/kg),而且具有使用温度范围宽、快速充放电和使用周期长等优点,但是储能密度低(<30w·h/kg)。
对脉冲功率设备而言,电池由于功率密度低,不适合在脉冲功率设备中使用。超级电容器虽然具有中等的储能密度和功率密度,但是对于需要超高功率的电子系统仍然很难满足。同时,超级电容器结构复杂、操作电压低(>esr,将与储存的能量接近并存在式(11)的关系式。
esr与放电时间有关。在频域,esr有式(12)关系式。
式(12)中,tan是介电损耗,是角频率,c是电容值。
目前尚没有商业的放电电流测试设备。zui近有报道采用高速电磁回路rlc替代负载电阻来测试放电电流的方法,如图3所示啊。
对铁电、弛豫铁电和反铁电等高介电材料而言,常用的储能密度测试方法是通过saw-yer-tower电路来测试p-e关系啊,如图4所示。对铁电材料而言,由于典型的电滞回线,充电(电场增加)和放电(电场降低)路径不*相同,回滞曲线的面积代表能量损耗。因此电容器储存的能量并不能*释放出来,需要用额外的效率参数来表征其效率,如式(13)所示
电滞回线p-e法可以简单直观的表征储能密度和释放能量密度,而测试放电电流法可以给出放电的快慢、峰值电流、放电电流波形曲线等信息。
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