[发明专利]一种高储能和功率密度介质材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高储能和功率密度介质材料及其制备方法，该材料组成体系为Ba_1‑xSr_xTiO₃陶瓷与热固性高分子的复合材料，其制备方法为1.先合成Ba_1‑xSr_xTiO₃(x=0.1‑0.5)陶瓷粉体；2.将合成的BST粉体按摩尔比为1:1压制成圆形或者方形坯体；3.将BST陶瓷坯体与热固性聚合物复合，获得致密的储能材料，与现有技术相比，本发明制备的储能介质材料制备工艺简单、节能减排而且成本低廉，具有介电常数高（>100）、介电损耗低（<0.02）、击穿电场强度高（>150.0kV/mm）、储能密度高（>16.00J/cm³）和‑55～125^oC范围内介电常数变化率‑15.0%～2.0%优势，在脉冲功率储能系统中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电介质储能材料领域，尤其是一种高储能和功率密度介质材料及其制备方法。

背景技术

近年来在电子工业领域，高储能密度器件越来越受到人们的关注，研究新的高储能器件迫在眉睫。相比较于传统的储能器件，电介质电容器利用极化电荷来存储电能，其充放电速率以及放电功率密度比传统储能器件高几个数量级。另外，其具有更好的稳定性，在脉冲功率技术领域，混合动力汽车方面需求较大，具有很高的应用前景。但是目前的电介质储能电容器的储能密度还远远达不到应用的需求，因此在保持其高功能密度的前提下如何提高电介质材料的储能密度成为研究重点。

在电介质储能材料中，其储能密度用来表示，其中ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，E为电场强度。可以看出电介质储能材料的储能密度由两个因素决定：介电常数和击穿电场强度。目前电容器储能器件的电介质材料主要有TiO₂、BaTiO₃、Ba_1-xSr_xTiO₃等，都具有较高的介电常数，尤其是Ba_1-xSr_xTiO₃(BST)因其具备高的介电常数和低介电损耗，得到了广泛的研究。但是，Ba_1-xSr_xTiO₃陶瓷的介电强度一般低于8kV/mm，不利于获得较高的储能密度。另外，单一成分Ba_1-xSr_xTiO₃陶瓷介电常数随温度变化较大，不利于器件工作的稳定性。

专利(201510243383)通过用Ca、Sn对BaTiO₃的A位和B位同时进行置换改性，获得了高介电常数和较低的介电损耗。专利(201410606390)用环氧树脂改性的BaTiO₃陶瓷粉料与PVDF复合，大大提高了其击穿电场强度。专利(201210150158.8)通过在SrTiO₃中添加MgO，将击穿电场强度提高到17.4kV/mm，获得了0.36J/cm³的储能密度。专利(201610540311.6)通过引入堇青石玻璃，提高了储能性能，获得了高介电常数(>1600)、高击穿电场强度(>18.0kV/mm)和高储能密度(>2.50J/cm³)。