[发明专利]一种兼具高储能密度和储能效率的NN基储能陶瓷块体材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种兼具高储能密度和储能效率的NN基储能陶瓷块体材料及其制备方法。所述NN基储能陶瓷块体材料的化学组成为Nasubgt;1‑/subgt;subgt;3y/subgt;Bisubgt;y/subgt;Nbsubgt;1‑x/subgt;Tasubgt;x/subgt;Osubgt;3/subgt;，其中x=0.05～0.15，y=0.1。

技术领域

本发明涉及一种NN基高储能密度和储能效率的无铅储能陶瓷及其制备方法，且该储能陶瓷材料可用于储能电容器，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

陶瓷电介质电容器因具有功率密度大、介电常数高、充放电速度快、循环寿命长、稳定性好、在高温高压等极端使役环境下长期可靠运行等优点，使其在众多脉冲功率器件中具有重要的应用。目前大多数铅基反铁电陶瓷介质的储能密度相对较高，但是铅元素不符合环境保护和人体健康安全要求，因而研发高性能无铅储能陶瓷材料成为紧迫且具有重大意义的研究课题。

储能陶瓷材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷三类。关于无铅储能陶瓷电容器介质材料的研究主要集中在线性电介质陶瓷(SrTiO₃、CaTiO₃等)、铁电陶瓷(BaTiO₃、K_0.5Na_0.5NbO₃、Bi_0.5Na_0.5TiO₃、BiFeO₃等)和反铁电陶瓷(AgNbO₃、NaNbO₃等)。其中NaNbO₃的理论体积密度低，相比于其他无铅电介质储能材料体系，它在储能电容器的轻量化方面具有明显的优势。同时，NaNbO₃在变温过程中存在复杂的结构相变，丰富的相变过程有利于储能特性的调控。因而，NaNbO₃陶瓷作为少数几种具备高潜在极化强度同时环境友好的无铅储能材料受到了研究人员的关注。近年来NaNbO₃基陶瓷在储能特性方面不断取得了新的突破，展现出很大的潜力。然而铌酸盐基储能陶瓷在实现高的储能密度的同时往往伴随着较低的储能效率，低的储能效率意味着在放电过程中，更多的能量以热能的形式散失，会引起储能元件温度上升，使其可靠性降低甚至发生热击穿而引起器件失效。因此，开发兼具高储能密度和高储效率的综合性能优异的无铅储能陶瓷成为功能陶瓷研究的热点之一。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种兼具高储能密度和储能效率的NN基无铅储能陶瓷块体材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种NN基储能陶瓷块体材料，所述NN基储能陶瓷块体材料的化学组成为Na_1-3yBi_yNb_1-xTa_xO₃，其中x＝0.05～0.15，y＝0.1。

较佳的，所述NN基储能陶瓷块体材料在室温下为赝立方相结构。

较佳的，所述NN基储能陶瓷块体材料的密度达到4.79g/cm³。

较佳的，所述NN基储能陶瓷块体材料的平均晶粒尺寸低至1.22μm。

本发明中，通过对NaNbO₃陶瓷掺杂Bi³⁺和Ta⁵⁺进行改性，使其在室温下为赝立方相结构，并采用SPS烧结技术，优化了其显微结构，获得了具有高储能密度和储能效率的储能陶瓷材料，具有良好的应用前景。

较佳的，在560kV/cm的工作电场下，所述NN基储能陶瓷块体材料的可释放能量密度大于6J/cm³，所述NN基储能陶瓷块体材料的储能效率在大于90％。

另一方面，本发明提供了一种NN基储能陶瓷块体材料的制备方法，包括：