[发明专利]高效电容器用钛酸锶铋基无铅陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及高效电容器用钛酸锶铋基无铅陶瓷材料及其制备方法，属于电能储存材料领域。采用固相合成方法，以弛豫铁电体材料Srsubgt;0.7/subgt;Bisubgt;0.2/subgt;TiOsubgt;3/subgt;为基础，在钙钛矿结构的B位掺入一定摩尔比的Nb与Ni异价元素增加其电荷无序性，得到一种新型的复合陶瓷，其化学式是(1‑x)Srsubgt;0.7/subgt;Bisubgt;0.2/subgt;TiOsubgt;3/subgt;‑xBi(Nisubgt;2/3/subgt;Nbsubgt;1/3/subgt;)Osubgt;3/subgt;，其中0≤x≤0.15。本发明获得的储能陶瓷材料，其主要性能参数可恢复储能密度Wsubgt;rec/subgt;达到了4.19‑5.98J/cmsupgt;3/supgt;，储能效率η高达92.6‑98.6％。本发明工艺流程简单，适合工业化生产，同时符合当前无铅环保的要求。

技术领域

本发明涉及功能材料与器件技术领域，具体涉及高效电容器用钛酸锶铋基无铅陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

目前，主要的电储能装置有电池、电介质电容器和电化学电容器等。这些储能设备在能量密度和功率密度上有明显的不同，这是由于它们的储能机制和充放电过程不同引起的。和其他的储能设备相比而言，介电电容器可以在一个极短的时间周期内(纳秒到微秒级别)将电能释放出来并产生巨大的脉冲电流或者电压，这也使得电介质电容器在脉冲功率电子系统中有着巨大的应用潜力。而且，与电化学电容器和电池不同，电介质电容器在充放电过程中不涉及化学反应，这使得介电电容器具有良好的热稳定性和化学稳定性并可以在高压环境下运行(几百到几千伏特)较长的时间。

电介质电容器中的介电陶瓷储能材料因为具有高功率密度、成本低、优异的热稳定性等特性，广泛应用于商业、消费、医疗和军事等高功率系统。目前用于陶瓷电容器的材料大多是铅基陶瓷，虽然储能密度较高，但这些体系中含有大量的铅元素，这对人体健康和环境都有着极大的危害，发展无铅材料取代含铅体系材料已是必然趋势。但是就目前而言，无铅介电陶瓷电容器的局限在于储能密度较低，无法与铅基陶瓷电容器的储能性能相比，这使其难以达到器件小型化、多功能及集成化的发展要求，从而限制了它在便携式电子设备中的应用。如能有效提高无铅介电陶瓷电容器的储能密度，那么其在储能领域的应用将更为广阔。

钛酸锶铋陶瓷继承了钛酸锶的纤细电滞回线，并且使用Bi元素代替传统Pb元素来实现增强极化作用减少对环境的伤害，特别是，钛酸锶铋陶瓷的介电性能可以通过调节铋和锶的比例来改变，以满足不同实际应用，被认为具有巨大的储能应用潜力。但是钛酸锶铋陶瓷由于在烧结过程中存在少量的Bi元素挥发现象，从而会产生一些氧空位而导致较低的击穿强度，影响其储能密度，这也限制了钛酸锶铋陶瓷在高储能密度电容器中的应用。目前大多数钛酸锶铋基陶瓷的储能密度仍然较低(4J/cm³)，相对于传统铅基陶瓷材料还有一定差距。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种高效电容器用钛酸锶铋基无铅陶瓷材料及其制备方法，采用固相合成方法，以弛豫铁电体材料Sr_0.7Bi_0.2TiO₃为基础，在钙钛矿结构的B位掺入一定摩尔比的Nb与Ni异价元素增加其电荷无序性，得到一种新型的复合陶瓷，其化学式是(1-x)Sr_0.7Bi_0.2TiO₃-xBi(Ni_2/3Nb_1/3)O₃，B位引入诱导形成极性纳米微区，获得低的剩余极化强度产生纤细的电滞回线；进一步的通过两步烧结方法减小其晶粒尺寸，提高其致密性，进而提高其击穿强度，不但拓展了掺杂改性的研究方向，优化了烧结工艺，而且制备出了一种有应用潜力的无铅储能陶瓷。

本发明可以通过以下技术方案来实现：