[發(fā)明專利]一種高儲能密度的鈦酸鉍鉀基三元無鉛鐵電陶瓷材料及其制備

有效

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• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112811902B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設計）人: 朱滿康;楊倩;位秋梅;張蔓琳;鄭木鵬;侯育冬
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: H01B3/10
• 分類號: H01B3/10;C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種高儲能密度的鈦酸鉍鉀基三元無鉛鐵電陶瓷材料及其制備，屬于功能陶瓷材料技術領域。其化學通式為(1?x?y)Bi_0.5K_0.5TiO₃?xBiFeO₃?yNaTaO₃，其中0.21≤x≤0.24，0.00y≤0.08。采用傳統(tǒng)固相法制備的三元無鉛鐵電陶瓷在150kV/cm的電場下，有效儲能密度達到了2.88J/cm³，且具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，可以滿足儲能電容器對材料的要求。

技術領域

本發(fā)明涉及一種高儲能密度無鉛鐵電陶瓷材料，屬于功能陶瓷材料技術領域。

背景技術

儲能介電電容以其超高功率密度、高溫穩(wěn)定性和超快充放電能力，廣泛應用于電動汽車、高頻逆變器、電磁脈沖發(fā)生器等脈沖電力系統(tǒng)。然而，由于它們與超級電容器和電池相比的儲能密度較低，介電電容器往往需要較大的體積和重量才能提供足夠的功率，這不符合有關脈沖功率器件的重量和集成的要求。因此，迫切需要開發(fā)具有高可回收儲能密度W_r的介電電容材料。通常，介電陶瓷的總儲能密度W和有效儲能密度W_r可以分別由方程和來計算，效率η則可以由方程η＝W_r/W來計算，其中W、P_r、P_m、和E分別是總儲能密度、剩余極化強度、最大極化強度和外加電場。從這些方程出發(fā)，具有高W_r的介電電容材料期望其具有高P_m、低P_r以及高的外加電場。鈣鈦礦氧化物是最有前途的材料之一，它們的P-E電滯回線的形狀可以通過形成固溶體來調(diào)整，以提高它們的儲能性能。

近年來，為了探索無鉛儲能電容器的候選材料，對Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)、K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)、BiFeO₃(BF)、AgNbO₃(AN)、SrTiO₃(ST)、BaTiO₃(BT)等無鉛鈣鈦礦氧化物進行了廣泛的研究。而K_0.5Bi_0.5TiO₃(KBT)因其高極化特性和強弛豫特性引起了我們的興趣。根據(jù)第一原理計算，KBT具有較高的自發(fā)極化(P_s＝52μC/cm²)，這是實現(xiàn)高儲能密度的必要條件。此外，KBT的固有弛豫特性使其可具有較低的P_r，有利于獲得較高的η。李峰等采用熱壓燒結工藝制備了La(Mg_0.5Ti_0.5)O₃和Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃改性Bi_0.5K_0.5TiO₃基陶瓷，在180kV/cm和230kV/cm的電場下分別獲得了2.08J/cm³和3.14J/cm³的W_r值，同時也具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。這些結果表明，KBT陶瓷具有在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得高儲能性能的潛力。目前，KBT陶瓷作為儲能應用主要存在兩個方面的不足，一是純KBT的晶粒尺寸小，只有300nm左右，疇的釘扎作用太強，難以在較低的電場下獲得高的自發(fā)極化；二是常規(guī)燒結工藝中K和Bi容易揮發(fā)，難以獲得致密的結構，擊穿場強較低，難于滿足介電儲能的需要。而采用特殊的燒結工藝，如熱壓，由于其還原氣氛使陶瓷必須在氧環(huán)境進行進一步的熱處理，增加了工藝的復雜和可控性。