[发明专利]钛酸铋钠-钛酸钡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铋钠‑钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法。所述陶瓷材料的分子式如式I所示：式I中，M表示MnO₂；w、x、y分别表示钛酸钡‑铌钽锌酸铋、铌钽锌酸铋和Ta的摩尔分数；z表示M的质量分数；其中，0.05≤w≤0.95，0.06≤x≤0.5，0.01≤y≤0.3，0≤z≤0.3。本发明提供的钛酸铋钠‑钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及多层储能陶瓷电容器，具有优良的储能性能及综合性能。通过选择适当的w、x、y、z值及工艺参数，可使该体系的陶瓷块体放电储能密度达到2.27J/cm³，充放电效率达到90％以上，而双层电容器放电储能密度可达到14.26J/cm³，充放电效率达到85％。(1‑w)Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑w{(1‑x)BaTiO₃‑xBi[Zn_2/3(Nb_1‑yTa_y)_1/3]O₃}+zM 式I。

技术领域

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

背景技术

世界经济和人类社会的飞速发展离不开能源的支持，太阳能、风能等新型清洁可再生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具有间歇性、随机性和波动性等问题的新型可再生能源进行合理存储和利用的研究也逐渐加深。众多储能设备和技术中，电介质电容器具有超高的功率密度、超快速的充放电能力、很高的循环寿命和安全性，非常适用于功率波动大或者需要高功率密度的领域，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，开发具有高储能性能的电介质电容器材料具有重要意义。

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，国内相关研究如下：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，充放电效率为50.5～57.2％。武汉理工大学刘韩星等的钛酸铋钠-钛酸锶基储能陶瓷(授权公告号CN109574656)，其放电能量密度为1.61～2.17J/cm³，充放电效率达46.6～82.0％。上海硅酸盐研究所董显林等的钛酸锶钡基弛豫铁电体储能陶瓷材料(授权公告号CN109180178)，其放电能量密度大于3J/cm³，充放电效率大于72.5％。西安交通大学李飞等的无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料(授权公告号CN109180181)，其放电储能密度达2.8J/cm³，充放电效率可达98％。

在众多陶瓷电介质中，弛豫铁电体由于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，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，具有高储能密度和充放电效率的钛酸铋钠-钛酸钡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多层储能陶瓷电容器的制备方法。

本发明所提供的钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷材料的分子式如式I所示：

(1-w)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-w{(1-x)BaTiO₃-xBi[Zn_2/3(Nb_1-yTa_y)_1/3]O₃}+zM

式I

式I中，M表示MnO₂；