[发明专利]钛酸钡-铌锌酸铋基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛酸钡‑铌锌酸铋基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法。该陶瓷材料化学式如下：(1‑x)BaTiO₃‑xBi[Zn_2/3(Nb_1‑yTa_y)_1/3]O₃+zM。通过选取合适的x、y、z值及工艺参数，可使得该体系的陶瓷块体放电储能密度达到1.92J/cm³，储能效率达97.6％，单层陶瓷电容器放电储能密度达到7.81J/cm³，储能效率达97.3％。并且，陶瓷块体和单层陶瓷电容器的储能性能在‑75～150℃内变化很小，室温介电常数约1000～1200，在约‑65～130℃温度区间内介电常数变化也很小(小于15％)。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种钛酸钡-铌锌酸铋基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着世界经济和人类社会的飞速发展，人们对能源的需求与日剧增，太阳能、风能等具有间歇性、随机性和波动性等问题的新型清洁能源也逐步走向实用化，运用先进的储能设备与技术将这些新型可再生能源进行合理存储和利用的研究也逐渐加深。电介质电容器因其具有超高的功率密度以及超快速的充放电能力，非常适用于功率波动大或者需要高功率密度的领域，此外，电介质电容器充放电过程极其迅速，还具有很高的循环寿命和安全性，因而广泛应用于商业、医疗及军用等领域。目前，商业使用的电介质电容器主要为陶瓷电介质，其能量密度小于2J/cm³，随着电力电子器件和系统向着小型化、轻量化以及集成化方向发展，开发具有高储能密度的电介质电容器具有重要意义。

储能陶瓷电容器根据电介质不同分为铁电体，弛豫铁电体，反铁电体，线性电介质等。当前，国内相关专利有，清华大学李敬锋教授课题组的铌酸银基反铁电储能陶瓷(授权公告号CN106478097)，其放电储能密度可以达到2.00～2.50J/cm³，储能效率为50.5～57.2％。西安电子科技大学叶婧等的钛酸铋钠基储能陶瓷(授权公告号CN106187168)，其放电能量密度为1.22J/cm³，储能效率达91％。上海硅酸盐研究所董显林等的BCZT基弛豫铁电体储能陶瓷材料(授权公告号CN107244912)，其放电能量密度为0.66J/cm³，储能效率可达88.1％。陕西科技大学杨海波等的无铅陶瓷储能材料(授权公告号CN107459347)，其放电储能密度达1.73～1.98J/cm³，储能效率均在90％以上。

在众多陶瓷电介质中，弛豫铁电体由于具有诸多优良特性，被广泛应用于现代电子、电力、航空航天等领域，特别是弛豫铁电体一般具有高介电常数和弥散型相变带来的较小的介电常数-温度变化率，以及细长的电滞回线，在储能陶瓷领域占有巨大优势。2009年，Ogihara制备了BaTiO₃-BiScO₃陶瓷，其具有高介电常数且良好的介温稳定性，块体陶瓷室温能量密度高约2.3J/cm³，单层电容器储能密度可达6.1J/cm³。但其中含有大量昂贵的稀土元素Sc，陶瓷材料成本很高，因此，研发成本低，储能特性优良的弛豫铁电体陶瓷储能电介质具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本较低，具有高储能密度和储能效率的钛酸钡-铌锌酸铋基无铅弛豫铁电体储能陶瓷电介质及其制备方法，以及以此电介质为基础的单层储能陶瓷电容器的制备方法。

本发明提供的钛酸钡-铌锌酸铋基无铅弛豫铁电体储能陶瓷电介质，也即式I所示化合物，

(1-x)BaTiO₃-xBi[Zn_2/3(Nb_1-yTa_y)_1/3]O₃+zM

式I