[發明專利]一種鋯錫鉿酸鑭鉛陶瓷及其制備方法和儲能應用

在審

• 申請號: 202211450598.5
• 申請日: 2022-11-18
• 公開（公告）號: CN115872735A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 魯圣國;李偉湫;王世斌;余宇梁;林昌立
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C04B35/457
• 分類號: C04B35/457;C04B35/622;H10N30/853
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

本發明屬于電介質陶瓷材料技術領域，公開了一種鋯錫鉿酸鑭鉛陶瓷及其制備方法和儲能應用。所述鋯錫鉿酸鑭鉛塊體陶瓷的化學式為Pb_0.98La_0.02(Zr_0.45?xHf_xSn_0.55)_0.995O₃，x＝0.01～0.15。該方法采用固相合成法，通過摻入Hf⁴⁺后能夠大幅提高Pb_0.98La_0.02(Zr,Hf,Sn)_0.995O₃體系的儲能效率和儲能密度。該鋯錫鉿酸鑭鉛塊體陶瓷具有細長型雙電滯回線的反鐵電體的高儲能密度和高效率特性，儲能密度是不含Hf⁴⁺時候的1.58倍，儲能效率由81.3％增加到89.8％，儲能效率提高了8.5％，該鋯錫鉿酸鑭鉛塊體陶瓷應用在儲能領域中。

技術領域

本發明屬于電介質陶瓷材料技術領域，更具體地，涉及一種鋯錫鉿酸鑭鉛陶瓷及其制備方法和儲能應用。

背景技術

反鐵電材料擁有獨特的外電場誘導的反鐵電相(AFE)到鐵電相(FE)轉變行為，特別是在鉛基反鐵電體中理論上具有高的能量密度和功率密度。使用反鐵電體作為電介質材料制備的脈沖功率電容器具有放電速率快、電流大、循環壽命長等特點，在軍事、民用、高新領域被廣泛應用。反鐵電材料的儲能性能與厚度、晶體取向、制備工藝以及相變等因素有關，但主要取決于相變過程，而相變過程則主要由成分和外場決定。因此，人們采用各種策略來調整反鐵電材料的相變行為，以提高其儲能性能。相對于其他反鐵電材料，鋯酸鉛(PbZrO₃)因為其良好的相變誘導性能被廣泛研究。在室溫下，純的PbZrO₃陶瓷在達到相變臨界電場之前就被擊穿，因此只有化學改性的PbZrO₃材料才能在電場誘導下實現AFE和FE相之間的轉變。反鐵電體在外加電場的作用下會發生反鐵電-鐵電-順電相變，在達到了反鐵電-鐵電的相變電場的時候，電偶極子會沿著電場方向重新排列，極化強度會急劇增大。由于電滯的原因，在撤去電場的時候，宏觀極化不為零，也就是說，有部分能量不能完全被釋放，這部分能量也叫做能量損耗。反鐵電體的有效儲能密度的可由計算得到，總儲能密度可以由/計算得到，能量損耗可以由W_loss＝W_total-W_rec得到，儲能效率可以由/得到。其中W_rec為有效儲能密度，W_total為總儲能密度，W_loss為能量損耗，P_max為飽和極化強度，E為外加電場強度，η為儲能效率。明顯地，從公式可以知道：要提高有效儲能密度，就要提高飽和極化強度和外加電場的強度。其中研究的比較多的用于儲能系統的化學改性PbZrO₃材料主要是：(i)(Pb,La)(Zr,Ti)O₃(PLZT)；(ii)(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃(PLZST)；(iii)(Pb,La)(Zr,Sn)O₃(PLZS)和(ⅳ)(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃(PNZST)。其中PLZS因為場致多階相變的特性，在二階鐵電-鐵電相變時，極化強度急劇增加，有極大的儲能應用潛力。與反鐵電薄膜和厚膜相比，塊狀陶瓷在調整成分-結構-性能關系方面更有優勢，制備工藝更加成熟可靠且成本低廉。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的不足和缺點，本發明的目的在于提供一種鋯錫鉿酸鑭鉛陶瓷。該鋯錫鉿酸鑭鉛陶瓷的化學式為Pb_0.98La_0.02(Zr_0.45-xHf_xSn_0.55)_0.995O₃，x＝0.01～0.15，其具有細長型雙電滯回線的反鐵電體的高儲能密度和高效率特性。