[發(fā)明專利]高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用

在審

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• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106698951A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設計）人: 翟繼衛(wèi);劉靜然;楊科
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C03C10/00
• 分類號: C03C10/00;C03C4/16;H01G9/025
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權代理有限公司31225
• 代理人: 陳亮

技術領域

本發(fā)明涉及電介質(zhì)儲能材料領域，尤其是涉及一種高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用。

背景技術

隨著化石燃料的持續(xù)消耗與能源需求的不斷增加，能源危機步步緊逼，開發(fā)新能源與能源存儲備受關注。能源存儲對儲能設備的儲能密度與利用效率都具需求，因此性能優(yōu)良的儲能材料及儲能器件成為材料科學研究的重點。

儲能電容器由于其儲能密度高、利用率高、充放電速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點成為常用的高儲能電路元器件，并成為脈沖功率技術中的主要儲能元件，應用于混合動力汽車、電磁軌道炮武器、全電動軍艦等國防及現(xiàn)代工業(yè)領域中。而隨著科學技術的發(fā)展與時代的進步，在維持高儲能的同時實現(xiàn)小型化、輕型化已成為工業(yè)發(fā)展的需求，因此高儲能密度的電介質(zhì)材料應運而生。儲能密度與儲能介質(zhì)的介電常數(shù)和擊穿強度有關，而放電效率又對其損耗有所要求，近來，在諸多儲能材料中，線性儲能材料由于其相對高的儲能密度與功率密度而備受關注。

中國專利CN 105271761A公開了高儲能密度的鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料及其制備和應用，按配方配料后，鈮酸鹽基玻璃陶采用高溫熔融-快冷急技術制得透明鈮酸鹽玻璃；然后通過可控析晶制備得到高儲能密度的鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料。受控析晶制備的玻璃陶瓷材料雖然具有較高的介電常數(shù)，但其擊穿也大幅降低，最佳擊穿強度為1020.47kV/cm，其最大儲能密度可達5.67J/cm³，仍相對較低。由于線性材料的儲能密度計算為：W＝1/2ε₀ε_rE²，儲能密度正比于擊穿強度的平方，因此提高擊穿可獲得更高的儲能密度。本專利所制的鈮硅基純玻璃儲能材料，具有較商業(yè)玻璃更高的介電常數(shù)，及較現(xiàn)有玻璃陶瓷材料更大的擊穿強度，最佳擊穿強度可達3417.8kV/cm，大大提高了儲能密度，最佳可達11.06J/cm³。另外，玻璃儲能材料具有更好的機械加工性能，有利于進一步的加工與應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，按摩爾比25.6BaO-6.4R₍₂₎O-32Nb₂O₅-36SiO₂進行配料，所述的R為堿金屬或堿土金屬。

所述的堿金屬Li、Na、K或Na_1/2K_1/2。

所述的堿土金屬為Ba。

該玻璃儲能材料的玻璃網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)由[NbO₆]^-及[SiO₄]基團組成，網(wǎng)絡調(diào)整體為網(wǎng)絡間隙中的堿土金屬離子Ba²⁺，及堿金屬離子Li⁺、Na⁺或K⁺，游離金屬離子中和[NbO₆]^-的電價或與非橋氧結(jié)合。

高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料的制備方法，采用以下步驟：

(1)以BaCO₃、R₂CO₃、Nb₂O₅和SiO₂為原料，按摩爾比25.6BaO-6.4R₍₂₎O-32Nb₂O₅-36SiO₂進行配料，其中R為Ba、Li、Na、K或Na_1/2K_1/2；

(2)將步驟(1)的配料經(jīng)球磨混料后，烘干，并進行高溫熔融，制得高溫熔體；

(3)將步驟(2)制得的高溫熔體澄清數(shù)小時后，澆注至預熱的金屬模具中，去應力退火，制得透明玻璃；

(4)將步驟(3)制得的玻璃切割成厚度為0.9～1.2mm的玻璃薄片，進行研磨拋光，即得鈮硅基玻璃儲能材料。

步驟(1)中各原料純度大于99.95wt％。

步驟(2)在混合時，添加酒精潤濕原料后，球磨混料20～30h，優(yōu)選20～24h，烘干，即得混合料，高溫熔融的工藝條件為：在1500～1600℃下高溫熔融1～3h。