[发明专利]一种针叶状高介电储能微晶玻璃及其制备方法

说明书

本发明公开了一种针叶状高介电储能微晶玻璃及其制备方法，通过设计配方，利用两步热处理法对基础玻璃进行析晶处理，在热处理过程中，通过对差热分析结果的再分析，重新对保温时间和保温温度进行设计，发现当保温时间高于T_P时，能够析出具有四周环绕均匀致密玻璃相的针叶状晶相，具有该晶体形貌的材料展现了优异的性能，按照本发明制备方法得到的针叶状高介电储能微晶玻璃具有明显的晶体形貌、晶粒尺寸小、晶相占比稳定，由该方法制备的材料介电常数最高可达到29288，阻抗圆的半径最大可达到4×10⁵Ω，应用在电磁枪、混合动力汽车、电子系统、电子器件等领域，具有重要的研究意义，且制备工艺简单，适用于投入生产。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及电介质材料，具体涉及一种针叶状高介电储能微晶玻璃及其制备方法。

背景技术

近年来，随着经济和社会的快速发展，化石能源带来的环境污染问题促使人们不断开发清洁可再生能源，例如太阳能、水能、风能和热能等。新能源的存储对储能系统提出了更高的要求，需要更加清洁、高效的储能器件。当前最主流应用的能量存储设备是锂离子电池，但在放电过程中其功率密度相对较低，不适用于部分需要快速充放电的场合。此外，电池容量还会随着使用逐渐下降。电化学电容的能量密度较低，同时其自放电率高、内阻低的特点也会导致短路爆炸等安全问题。因此，越来越多的关注放在了电介质电容器上。

电介质电容在外加电场下通过电介质极化、正负电荷分离从而储存能量。其储能过程不涉及离子的迁移扩散和化学反应，因此能够以更高速率进行充放电，循环次数可达百万次以上，并且安全性更高，被广泛应用于军工、民用及医疗领域。决定电介质电容器性能最为关键的因素是电介质材料，电介质材料包括聚合物、聚合物-无机复合材料以及无机非金属材料三类。

目前，对于可以同时具有高能量密度和高功率密度的能量存储设备的研究甚少。储能设备的实际充放电时间受负载电阻等外部因素的影响。介电电容器的能量密度至少比电池、燃料电池和电化学电容器的能量密度小数量级。因此，迫切需要开发可以显著提高介电电容器能量密度的新型介电材料。

其中，衡量能量密度两个关键的参数为介电常数和击穿强度。

目前已知的材料中，聚合物具有超高的击穿强度，陶瓷具有超高的介电常数。所以，对于这两种材料的复合材料的研究比较多，但聚合物的实验过程比较复杂，陶瓷的烧结过程需要较高的温度条件，气孔的存在也会导致其在极化过程中受到不均匀的电场强度，而且一般在制备过程中由于不均匀的微观结构，在外加电场下枝晶的末端会产生高电场，从而导致击穿以及低击穿场强和低储能性能。而微晶玻璃在烧结过程中形成液相，这些液相填充在颗粒间隙中，有利于消除气孔、降低孔隙率、提高击穿强度和储能密度，它是一种同时包含晶相和玻璃相的材料，特殊的晶体结构使材料具有很高的介电常数。在外电场作用下，陶瓷的内部空间电荷会在晶界周围定向和聚集，当电荷含量超过一定极限时，就会发生击穿现象，但添加玻璃后，由于玻璃相在晶界处生长，其无规则网络结构使材料可以耐较高的击穿，这是因为它限制了晶粒尺寸的持续增大，增加了晶界密度，减少了缺陷的发生，所以微晶玻璃能够承受更大的电场。同时，微晶玻璃电介质具有绝缘电阻率高、机械强度高、不易老化、热稳定性好、介电损耗小等优点具有重要的研究意义。因此，选择微晶玻璃扬长避短，设计出制备工艺简单、可大量生产的材料是大势所趋。

CN 113233771 A，CN 113582681 A，CN 113480310 A，CN 113620709 A，CN113004030 A，CN 113233772 A等文献资料中均涉及到有关高介电常数或者高耐击穿性能的材料的制备及其应用，但是，这些文献中所涉及的材料在提高介电常数的同时其击穿强度会大幅度下降，这就导致材料的储能性能难以有效提高，限制了材料的应用范围。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种针叶状高介电储能微晶玻璃及其制备方法，采用简单的两步热处理法制备出具有良好储能性能的针叶状高介电储能微晶玻璃。