[發明專利]一種高儲能密度的鐵電膜材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210473633.5
• 申請日: 2012-11-20
• 公開（公告）號: CN102992757B
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 岳振星;謝鎮坤;彭斌
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B35/472
• 分類號: C04B35/472;C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于電容器制造領域，具體涉及一種高儲能密度的鐵電膜材料 及其制備方法。

背景技術

隨著能源需求的不斷增加和石化燃料的持續消耗，提高能量的儲存和 利用效率的問題顯得日益重要。在能量儲存的多種方式中，電能的儲 存是研究的重要方面。與傳統的蓄電池儲能和化學儲能方式相比，電 容器儲能因其反應速度快、可再生、輕便、對環境無污染等優勢而備 受關注，而儲能密度E是衡量電介質材料儲能性能的重要參數。目前， 國內外普遍采用的電容器的儲能密度一般低于1.0?J/cm³。隨著電子 設備及其元器件向著小型、輕量、薄型和集成化的發展，現有電容器 的儲能密度以及大尺寸已不能滿足高儲能電容器愈加迫切的需求。研 究和開發高儲能的鐵膜材料及其制備方法并將其應用于高儲能電容器 具有十分重要的意義。

根據經典電磁學理論的定義，材料的儲能密度是指單位體積容納的電 能。在電場強度為E的電場下，電位移D的微小變化量dD引起的能量密 度變化量EdD。儲能密度可用下式表示：

J=∫EdD]]>

其中J為儲能密度，D為電位移。

對于石蠟、氧化鋁和大多數聚合物等普通介電材料而言，D=εE（ε為 介電常數），介電常數與電場無關，D與E呈線性關系，儲能密度可表 示為：

J=∫EdD=12ϵE2=12ϵ0ϵrE2]]>

對于鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等鐵電體和某些具有鐵電性的聚合物而言，電 位移D（近似等于P）與電場強度E呈非線性關系，介電常數的大小依賴 于外加電場，儲能密度可以根據電滯回線，由下式計算得出：

J=∫EdP

相比于普通介電膜材料材料而言，鐵電膜材料材料具有更高的介電常 數，因而一般具有更高的儲能密度，所以也是高儲能鐵電膜材料電容 器研究的重點，另外相比PVDF等鐵電聚合物，鐵電陶瓷膜材料具有更 好的介電常數和熱穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高儲能密度的鐵電膜材料，其儲能密度可 達20-50?J/cm³。該膜材料具有優異的介電、鐵電特性。本發明的另 一目的是提供所述高儲能密度的鐵電膜材料的制備方法。

一種高儲能密度的鐵電膜材料，包括膜和基片，所述膜的組成為xBi( Ni_1/2Ti_1/2)O₃-(1-x)PbTiO₃，其中0.1≤x≤0.55，該膜以Bi(Ni_1/2Ti_1/2)O₃和 PbTiO₃陶瓷為基體材料，所述膜的介電常數ε_r為400-900，低介電損 耗為2-4%，儲能密度為20-50?J/cm³。所述基片可以選取Pt/Ti/SiO₂/Si的疊層結構。