[发明专利]一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料及其制备方法

说明书

本申请公开了一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料及其制备方法。柔性无铅铁电储能材料包括柔性衬底、形成于柔性衬底上的缓冲层、形成于缓冲层上的底电极层、以及形成于底电极层上的复合铁电层，复合铁电层为基于底电极层上生长的具有铁电性的多层复合结构，多层复合结构包括依次叠加生长于底电极层上的下层和上层，复合铁电层由多层复合结构重复多周期叠加形成；其制备方法为：选取白云柔性衬底，在柔性衬底上生成CFO缓冲层，在缓冲层上生成SRO底电极层，在底电极层上生成多层BNT‑STO层形成复合铁电层，得到柔性无铅铁电储能材料。本申请制得的柔性无铅铁电储能材料具有优异的储能密度和储能效率，储能性能优异。

技术领域

本申请涉及铁电储能材料的领域，更具体地说，涉及一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料及其制备方法。

背景技术

随着便携式、植入式、耐磨储能产品的需求不断增加，柔性储能系统近年来得到了迅速发展，在众多的柔性储能器件中，铁电储能电容器以其功率密度高、充放电速度快、灵活等优点而备受关注。铁电基柔性电容器具有轻质、机械柔性的优异性，但其使用温度需要保持较低，介电损耗大。铅基无机柔性电容器具有超高的储能密度，储能效率高，且具有优异的热稳定性，有利于满足极端工况下电气设备的工作要求。

然而在高场荷电循环下，铅基铁电材料由于抗疲劳性能差会不可避免的导致极化强度逐渐减小，极化疲劳会逐渐导致储能性能下降，严重阻碍了铅基存储电容器的潜在应用。在此情况下，研究开始朝着无铅铁电材料进行，不仅有利于环境友好的发展，也是能源可持续发展的重要支撑，但无铅铁电材料的储能密度和储能效率相较于铅基铁电材料较差，导致储能性能也有很大局限性，因此，优化无铅铁电材料的储能性能尤为关键。

无铅铁电材料中的细极化与电场滞后滞回可以获得良好的储能性能，同时需要较高的击穿电场，以及饱和极化强度与残余极化强度具有较大差异。为了减小铁电体的P-E环以提高储能性能，目前研究上主要采用改变相结构、使用弛豫铁电体、引入缺陷工程、利用空间电荷、插入死区/阻挡层这几种方法。

其中，在铁电材料中引入线性电介质材料的界面工程方法，相比于其他几种方法对于提升铁电材料的储能性能具有更稳定的特点，因此，利用线性电介质材料来开发一种柔性无铅铁电储能材料是很有意义的。

发明内容

为了改善目前柔性无铅铁电储能材料的储能性能不佳的问题，本申请提供一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料，采用如下的技术方案：

一种耐疲劳耐高温的柔性无铅铁电储能材料，包括：柔性衬底、形成于所述柔性衬底上的缓冲层、形成于所述缓冲层上的底电极层、以及形成于所述底电极层上的复合铁电层；

所述复合铁电层为基于所述底电极层上生长的具有铁电性的多层复合结构，所述多层复合结构包括依次叠加生长于所述底电极层上的下层和上层，所述复合铁电层由所述多层复合结构重复多周期叠加形成。

通过采用上述技术方案，制得的柔性无铅铁电储能材料具有弛豫铁电薄膜晶体的结构，并且具有更高储能密度、更高储能效率、更宽域工作温度、更高的饱和极化强度值和更低的剩余极化强度值的优点，也解决了无法同时实现提高极化强度和降低储能消耗的问题。

优选的，所述柔性衬底为白云母衬底。

通过采用上述技术方案，白云母衬底作为一种具有单斜晶系结构的柔性透明绝缘衬底，能够很好地适用于氧化物电容器材料的生长，可实现调控不同循环周期的复合铁电薄膜材料的性能。

优选的，所述缓冲层为基于所述柔性衬底上生长的CoFeO₄（CFO）层。

优选的，所述底电极层为基于所述缓冲层上生长的SrRuO₃（SRO）层。

优选的，所述下层的组成元素包括Bi、Nd和Ti，所述上层的组成元素包括Sr和Ti。