[发明专利]一种宽温稳定储能介质陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能陶瓷技术领域，具体涉及一种宽温稳定储能介质陶瓷及其制备方法，更具体地，涉及一种以NaNbO₃固溶改性的0.92(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.08BaTiO₃储能介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着脉冲功率技术的发展，对脉冲功率设备中储能元件的储能密度提出了更高的要求。与其它储能装置相比，储能电容器因具有放电功率大、利用效率高、储能密度上升空间大等优点，而逐渐成为脉冲功率设备中的储能元件被广泛应用于混合动力汽车等工业领域。

储能电容器的研究主要是开发性能优异的电容器介质材料，目前仍然存在两大难题。其一是提高介质材料的储能密度。高储能密度可以使器件小型化，同时节约成本。研究发现，储能密度与储能介质本身的介电常数和击穿强度密切相关，提高材料的介电常数和击穿强度可以提高其储能密度。其二是提高介质材料的宽温稳定性。因为随着脉冲技术应用的迅速发展，脉冲器件需要在一些极端温度条件下使用，例如在寒冷的地区，器件的工作温度低至零下数十摄氏度；然而在汽车发动机、石油钻井和导弹发射等方面应用时，器件工作温度高达上百摄氏度，这对介质材料的宽温稳定性提出更高的要求，确保器件在零下到高温的整个温度范围内保持储能性能的稳定性。所以开发同时具有高储能密度和宽温稳定性良好的介质材料是脉冲形成技术发展的新要求。

0.92(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.08BaTiO₃（简称BNTBT）位于准同型相界，在室温下表现出铁电相，在约80℃至270℃表现出反铁电相，在约270℃以上的高温区域表现出顺电相，这种相结构使得它有利于作为宽温稳定的储能介质陶瓷。从介电常数宽温稳定性方面考虑，BNTBT的介电常数温度曲线中表现出两个介电反常峰，这种双峰结构比单峰结构更容易通过改性来展宽，从而得到在较宽温度范围内平坦的介温曲线，提高材料的介电常数温度稳定性。从储能方面考虑，在BNTBT的反铁电相区，材料表现出细长的、束腰的电滞回线，而这种电滞回线对于获得较高的储能密度是十分有利的。但是反铁电相区存在于80℃以上，因此想要使材料在室温下获得较高储能密度，需通过改性将反铁电相区移至室温，使材料在室温下就表现出细长、束腰的电滞回线。

Gao等（Journal of the American Ceramic Society2011;94(12):4382-4386.）探讨了0.89Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃-0.05K_0.5Na_0.5NbO₃的储能特性，在室温下电场强度为5.6kV/mm时得到0.46J/cm³的储能密度，因此指出它是一种非常有前景的储能电容器介质陶瓷。人们基于此材料开展了一系列研究，然而在现有研究中，以室温（约25℃）为基准温度，从零下数十摄氏度至零上数百摄氏度范围内介电常数稳定的储能介质陶瓷却未见报道，在保持介质陶瓷高介电常数温度稳定性的同时还需要兼顾高储能密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种储能密度高、宽温稳定性良好的介质陶瓷及其制备方法。

本发明的目的是以下述技术方案实现的：

一种宽温稳定储能介质陶瓷，其化学式为(1-x)[0.92(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.08BaTiO₃]-xNaNbO₃，其中x=0.15～0.45。

该宽温稳定储能介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：