[发明专利]一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料及其制备方法。本发明提出了一种B位复合掺杂的方法，其化学通式为(1‑x)[(1‑y)Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑ySrTiO₃]‑xBiReO₃且0.0≤x≤0.2，0.26≤y≤0.4，其中Re为二价/四价与二价/五价组合元素。该陶瓷体系展现出在低电场(250kV/cm)可释放出高能量密度为2.78‑3.46J/cm³,高储能效率在85％以上，且其表现出良好的温度/频率/疲劳稳定性。更重要的是该体系还兼具较好的充放电性能，其表现出大的放电密度1.15J/cm³和超短的放电时间72ns。

技术领域

本发明涉及功能材料与器件技术领域，具体涉及一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

电介质电容器因其具有超高的功率密度以及超快速且稳定的充放电速度特性，在高能脉冲功能技术领域被广泛应用，尤其是军工、汽车和生物医疗领域。当下，商业化的陶瓷电容器的储能密度小于2J/cm³，很难完全匹配电子脉冲领域的需求，而电力电子器件和产品已向小型化、轻量化以及功能化方向发展，设计开发出兼具高储能密度、效率、良好稳定性与优异充放电行为的电介质材料对器件储能性能提高有着重大的价值与意义。

在报道的众多电介质陶瓷中，无铅弛豫铁电体具有合适的介电常数、小的介电常数-温度变化率以及瘦细的电滞回线，在陶瓷储能领域表现出巨大的应用价值和优势。目前，关于Bi_0.5Na_0.5TiO₃基弛豫陶瓷，高的储能密度(2.5J/cm³)通常需要高的驱动电场(250kV/cm)。然而，高驱动电场阻碍了脉冲功率设备的小型化和轻量化的应用。进一步地，施加高驱动电场对充电设备和功率系统产生了更加苛刻的要求，同时不可避免的对电介质电容器使用的安全性和可靠性带来了巨大的挑战。因此，为了更好的促进电容器的实用化发展要求，亟需设计开发出一种低电场驱动高效储能特性的无铅陶瓷新材料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料及其制备方法，该材料具有低电场驱动高储能密度、效率、良好稳定性与优异充放电行为特点，并且制备方法简单及成本低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料，其化学通式为：(1-x)[(1-y)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-ySrTiO₃]-xBiReO₃且0.0≤x≤0.2，0.26≤y≤0.4，其中Re为二价/四价与二价/五价组合元素。当0.0≤x≤0.2，0.26≤y≤0.4，所述的低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料在低电场(250kV/cm)可释放出能量密度为2.78-3.46J/cm³,效率在85％以上，且其表现出良好的温度/频率/疲劳稳定性，同时表现出大的放电密度1.15J/cm³和超短的放电时间72ns。

优选地，所述二价/四价与二价/五价组合元素为Mg²⁺,Ni²⁺，Sn⁴⁺和Nb⁵⁺。

所述的一类低电场驱动高效储能特性的无铅弛豫陶瓷材料，具体包括以下的制备步骤：

步骤一：按照化学通式(1-x)[(1-y)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-ySrTiO₃]-xBiReO₃化学计量比称取原料，再将得到的原料进行一次球磨，得到混合粉料；随后将混合原料压制成大块进行预烧；再进行二次球磨，得到尺寸较小且均匀的预制粉料；