[发明专利]一种脉冲储能陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种脉冲储能介质陶瓷材料及制备方法，属于电子元器件材料领域，本发明由Sr_0.7+xCa_yBi_0.2TiO₃(0.01≤x≤0.05，0.05≤y≤0.15)主晶相和改性添加剂组成，所述改性添加剂为：CeO₂、Nb₂O₅、Nd₂O₃、ZnO、MnCO₃、SiO₂中的一种或几种，其制备方法包括配料、球磨、造粒、成型、烧结，所述脉冲储能介质陶瓷材料有较高的抗电强度(350～450kV/cm)，较高的储能密度(在290kV/cm下为2.1J/cm³)，较高的储能效率(97％～99％)，损耗低至0.002，性能稳定，适于制作脉冲电容器介质材料。所述制备方法具有简单、易控、环保和成本低廉的特点。

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及脉冲储能陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着全球范围内能源消耗的急剧増加和生态环境日益恶化，各国均加快了对可再生能源技术如太阳能、风能、热能等进行了广泛的开发研究工作以期减轻甚至替代对化石燃料能源的使用。在此背景下，更有效地储存和提供电能的储能元器件的开发和硏制工作受到了更加广泛的关注。与电化学超级电容器、锂电池和燃料电池等储能器件相比，介质电容器有偏低的能量密度,较高的功率密度，并且能够在极短的时间内以脉冲功率的形式将能量释放至负载。具有高的储能密度、快的充放电速度、稳定的工作性能、可在大电流和高温高压下工作以及优良的循环性能。在脉冲功率设备中，作为储能元件的电容器在整个设备中占有很大的比重,是极为重要的关键部件。在新能源发电、混合动力汽车、生物医疗、石油勘探、国防军工等领域有着重要的应用价值。面对复杂环境和高度集成信息化的趋势，全固态多层陶瓷脉冲储能电容器具有小型化、片式化、可靠性高等特点，已成为高性能脉冲储能电容器的必然选择。

发展高性能脉冲储能电容器的核心在于研发具有优良储能性能的介质材料。目前，介质储能材料主要有以下几类：反铁电储能介质，弛豫铁电储能介质，线性储能介质，铁电储能介质。其中，弛豫铁电材料以其低的剩余极化强度(Pr)、高的饱和极化强度(Pmax)、适中的抗电强度(BDS)，高的储能效率(η)和良好的充放电稳定性等优点引起广泛关注。(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃是一种具有钙钛矿结构的驰豫铁电体，在储能方面，它具有以下几个优点：(1)介电常数较高；(2)较低的剩余极化强度和矫顽场强；(3)良好的驰豫性能。Zhang等报道了Sr_(1-1.5x)Bi_xTiO₃陶瓷，在217.6kV/cm的电场下，其储能密度为1.63J/cm³，储能效率约为61.4％。Chao等报道了(Sr,Pb,Bi)TiO₃，在50kV/cm的电场下，其储能密度为0.228J/cm³，储能效率约为94.2％。然而，(Sr,Bi)TiO₃基储能材料的抗电强度较低，限制了其储能性能的提升。CaTiO₃是一种典型的线性介质材料，具有低的介电损耗和高的本征介电强度(4.2MV/cm)，Ca的掺入有望提高(Sr,Bi)TiO₃基储能材料的抗电强度。Zhang等通过将Ca引入到SrTiO₃中，蒋抗电强度从239kV/cm提高到313kV/cm，并且获得1.95J/cm³的储能密度。因此，本发明将Ca掺入(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃的介质储能陶瓷体系，并配以适当的元素改性，以期获得较高的抗电强度，并且提高储能密度。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高抗电强度、高储能密度、高储能效率，生产工艺简单、成本低廉的脉冲储能陶瓷材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：