[发明专利]一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷及其制备方法

说明书

一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷及其制备方法，将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入SrTiO₃粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到SrTiO₃流延浆料；同样的采用流延法得到(1‑x)SrTiO₃‑xBaFe_0.5Nb_0.5O₃流延浆料；将两种流延浆料分别采用流延成型的方式进行流延成型，得到两种流延膜；然后叠加、加压、排胶、烧结即可。本发明的陶瓷材料制备工艺简单、技术成熟，适合工业化生产，其储能特性优良，基于电滞回线计算的放电能量密度在1.67～1.90J/cm³之间，储能效率可以达到86％，电场强度均在300kV/cm以上，并且能够表现出较低的介电损耗值。

技术领域

本发明属于储能陶瓷领域，具体是一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷及其制备方法。

背景技术

高储能密度电介质具有高能量密度和高功率密度，可用于开发高容量电容器，在脉冲功率技术、功率电子电路、电动汽车、电网功率调节等方向有巨大的应用潜力。与电池和其他能量存储装置相比，陶瓷电容器具有快速充放电和高的温度稳定性的优点。但是，目前现有的大多数无铅储能陶瓷介质材料存在着击穿强度不够高或者极化强度较小，导致储能密度不高，难以满足新技术不断发展的需求。

通常情况下，材料的储能密度是指单位体积材料能容纳的电能，目前国际上普遍使用的单位是J/cm³，储能密度可用公式(1)来计算：

式中：J——储能密度(J/cm³)；E——电场强度(kV/cm)；ε₀——真空介电常数；ε_r——相对介电常数。由上式可知，要获得较高的储能密度，提高陶瓷介质材料的电场强度和相对介电常数是有效的途径。

BaFe_0.5Nb_0.5O₃因具有巨介电常效应而引起人们的广泛关注。然而BaFe_0.5Nb_0.5O₃陶瓷材料的介电损耗在1kHz的测试频率下约为4.29，其较高的介电损耗值和较差的击穿性能使得制备出的元器件难以满足储能陶瓷电容器在实际应用中的需求。SrTiO₃在室温下是立方结构，呈现出顺电相，具有较小的介电损耗和较高的耐压强度，并且频率稳定性好，是目前研究最广泛、最具有吸引力的无铅储能介质陶瓷体系之一。但是SrTiO₃陶瓷的介电常数较小，在室温下约为300。因此，要拓宽SrTiO₃和BaFe_0.5Nb_0.5O₃陶瓷介质在储能领域的应用，需要对其进行改性研究。

目前，无铅储能陶瓷介质材料的电场强度、储能密度和储能效率有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷及其制备方法，这种陶瓷材料的电场强度、储能密度和储能效率优异，放电能量密度可以达到1.90J/cm³，储能效率可以达到86％，电场强度均在300kV/cm以上，并且在制备过程中采用的流延成型技术成熟，所使用到的价格低廉，具有环境友好、实用性好等特性。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)流延浆料的制备：将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入SrTiO₃粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到SrTiO₃流延浆料；