[发明专利]一种具有高储能密度的钛酸锶基电介质陶瓷及其制备方法

说明书

本发明开了一种具有高储能密度的钛酸锶基电介质陶瓷的制备方法，方法如下：先按照化学计量比SrTiO₃：Zn₂SnO₄=1：x%折算出SrTiO₃粉体和Zn₂SnO₄粉体的质量，然后进行称取、球磨、烘干和研磨成粉，在粉料中加入粘合剂研磨后进行一次压制成型，再将压制成型后的坯料破碎过筛；将筛分出的较细粉体进行二次压制成型得到致密素坯；将致密素坯加热至650℃并保温2h排塑，随炉冷却至室温，即得到排塑坯体；将排塑坯体加热至1200℃进行烧结并保温4h，随炉冷却至室温，即得到SrTiO₃+xmol%Zn₂SnO₄陶瓷。该电介质陶瓷的分子式为SrTiO₃+xmol%Zn₂SnO₄，1≤x≤10。该陶瓷通过提高SrTiO₃陶瓷的击穿电场，增加陶瓷的储能密度，并加入低熔点的添加物，通过在高温烧结过程中形成液相，促进SrTiO₃陶瓷在低温下的致密化，降低烧结温度。

技术领域

本发明涉及电介质储能材料领域，具体的说是一种具有高储能密度的钛酸锶基电介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

可再生能源为来自于大自然的能源，如太阳能、风力、潮汐能、地热能等，其对环境无害或危害极小，适宜开发利用。但是，大多数可再生能源都是属于间歇性的，能力的供给存在间歇性和随机性，这导致可再生能源的利用成为难题。将可再生能源转化为电能是一个很好的解决方案，但是这会对储能技术的抑制传输功率的波动性的能力提出很高的要求。储能装置应具有较大的功率密度和能量密度，以有效地从间歇性可再生能源中捕获能量，并适时地释放能量，实现能量的稳定传输。目前，化学储能设备(电池)、固体氧化物燃料电池、电化学电容器和静电电容器(介质电容器)代表了大多数的储能技术。但是电池、燃料电池和电化学电容器因其功率密度小或者工作电压低的特点在大功率/脉冲的背景下存在明显缺陷。相比之下，介质电容器因具有较高功率密度，能有效地从间歇性新能源中捕获能量，而且工作电压高、生产成本低，更适合在大功率/脉冲电源系统中大规模应用。但是，介质电容器的不足是能量密度比较小，这就意味着存储相同的电量，介质电容器的体积要比电池等其他设备的体积大很多，需要更多的填充介质，从而会导致设备成本增加。因此，提高电介质材料的储能密度成为当务之急。

根据储能密度(J)公式：其中，P_max为最大极化强度，Pr为剩余极化强度，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；E_BDS为击穿电场。储能密度较大的电介质材料，一方面应具备较大的最大极化强度和较小的剩余极化强度；另一方面应具备较大的相对介电常数和击穿电场。目前，常用的电介质材料有三类：线性(顺电体)电介质、铁电体电介质和反铁电体电介质。铁电体电介质因具有较大的剩余极化，导致可以回收的能量密度很小，所以不适合用于储能器件。反铁电体电介质大都含铅，不利于环保，也不予考虑。顺电体电介质通常具有较低的介电损耗、中等的介电常数和较高的击穿电场，而且不存在滞后的问题，是理想的储能电介质材料。SrTiO₃是一种典型的量子顺电体电介质材料，因为具有较高的介电常数、较低的介电损耗、良好的温度稳定性以及理论击穿场强高达16000kV/cm而在高密度电能存储方面存在巨大潜力。但是目前实验上制备的SrTiO₃陶瓷的击穿电场在200kV/cm左右，远远低于其理论值，这也导致它的储能密度还比较低，限制了其在实际生产中的应用范围，需要进一步的提高。此外，SrTiO₃陶瓷的烧结温度高达1400℃，耗能严重，不利于大规模推广使用，需要对其制备工艺进行改进。

发明内容