[发明专利]一种高储能密度的钛酸铋钾基三元无铅铁电陶瓷材料及其制备

说明书

一种高储能密度的钛酸铋钾基三元无铅铁电陶瓷材料及其制备，属于功能陶瓷材料技术领域。其化学通式为(1‑x‑y)Bi_0.5K_0.5TiO₃‑xBiFeO₃‑yNaTaO₃，其中0.21≤x≤0.24，0.00y≤0.08。采用传统固相法制备的三元无铅铁电陶瓷在150kV/cm的电场下，有效储能密度达到了2.88J/cm³，且具有优异的温度稳定性，可以满足储能电容器对材料的要求。

技术领域

本发明涉及一种高储能密度无铅铁电陶瓷材料，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

储能介电电容以其超高功率密度、高温稳定性和超快充放电能力，广泛应用于电动汽车、高频逆变器、电磁脉冲发生器等脉冲电力系统。然而，由于它们与超级电容器和电池相比的储能密度较低，介电电容器往往需要较大的体积和重量才能提供足够的功率，这不符合有关脉冲功率器件的重量和集成的要求。因此，迫切需要开发具有高可回收储能密度W_r的介电电容材料。通常，介电陶瓷的总储能密度W和有效储能密度W_r可以分别由方程和来计算，效率η则可以由方程η＝W_r/W来计算，其中W、P_r、P_m、和E分别是总储能密度、剩余极化强度、最大极化强度和外加电场。从这些方程出发，具有高W_r的介电电容材料期望其具有高P_m、低P_r以及高的外加电场。钙钛矿氧化物是最有前途的材料之一，它们的P-E电滞回线的形状可以通过形成固溶体来调整，以提高它们的储能性能。

近年来，为了探索无铅储能电容器的候选材料，对Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)、K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)、BiFeO₃(BF)、AgNbO₃(AN)、SrTiO₃(ST)、BaTiO₃(BT)等无铅钙钛矿氧化物进行了广泛的研究。而K_0.5Bi_0.5TiO₃(KBT)因其高极化特性和强弛豫特性引起了我们的兴趣。根据第一原理计算，KBT具有较高的自发极化(P_s＝52μC/cm²)，这是实现高储能密度的必要条件。此外，KBT的固有弛豫特性使其可具有较低的P_r，有利于获得较高的η。李峰等采用热压烧结工艺制备了La(Mg_0.5Ti_0.5)O₃和Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃改性Bi_0.5K_0.5TiO₃基陶瓷，在180kV/cm和230kV/cm的电场下分别获得了2.08J/cm³和3.14J/cm³的W_r值，同时也具有优异的温度稳定性。这些结果表明，KBT陶瓷具有在较宽的温度范围内获得高储能性能的潜力。目前，KBT陶瓷作为储能应用主要存在两个方面的不足，一是纯KBT的晶粒尺寸小，只有300nm左右，畴的钉扎作用太强，难以在较低的电场下获得高的自发极化；二是常规烧结工艺中K和Bi容易挥发，难以获得致密的结构，击穿场强较低，难于满足介电储能的需要。而采用特殊的烧结工艺，如热压，由于其还原气氛使陶瓷必须在氧环境进行进一步的热处理，增加了工艺的复杂和可控性。