[發明專利]一種高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202310054306.4
• 申請日: 2023-02-03
• 公開（公告）號: CN116102352B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發明（設計）人: 劉迎春;楊彬;張洪軍;于思源;邊浪;曹文武
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B41/88
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 姜歡歡

一種高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷及其制備方法和應用。本發明屬于儲能材料制備領域。本發明的目的是為了解決現有儲能陶瓷材料無法兼顧優異的溫度穩定性、抗疲勞性和低電場高儲能密度的儲能特性的技術問題。本發明的儲能陶瓷的化學通式為xNaNbOsubgt;3/subgt;?(1?x)(Bisubgt;0.5?y/subgt;Rsubgt;y/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;)TiOsubgt;3/subgt;?zMe，其中0.1≤x≤1，0.05≤y≤0.25，0≤z≤0.1，R是稀土離子，Me是生長助劑。方法：以NN?BRNT細晶為基體，以徑向比5的NN片狀微晶為模板，采用模板晶粒定向生長技術，在生長助劑的作用下，制備沿[001]擇優取向的高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷。

技術領域

本發明屬于儲能材料制備領域，具體涉及一種高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

電介質陶瓷具有功率密度高、充放電時間短等特點，在各種電力、電子系統中領域表現出很大的優勢，特別是在高能脈沖功率技術領域有著不可替代的應用。隨著電子器件、電力系統的快速更新迭代，陶瓷相對較低的儲能密度已無法滿足電力器件和產品向集成化、輕量化和小型化發展的需求，發展新一代儲能特性優異的電介質儲能陶瓷已成為必然趨勢。電介質陶瓷的儲能密度計算公式如下所示：

其中W_rec為有效的儲能密度，P_max和P_r分別為飽和極化強度和剩余極化強度，E為電場，P為極化強度。

NaNbO₃是一種典型的弛豫反鐵電材料，具有寬帶隙(大擊穿電場)、無揮發性鉀元素(易于制備)和低體積密度(輕質)的特點，在儲能領域具有非常大的應用潛力。但是，NaNbO₃具有近矩形的電滯回線，剩余極化強度P_r較大，很難實現優異的儲能特性。

目前電介質儲能陶瓷發展的最大制約因素是其需要極高電場(650kV/cm)才能實現較高的儲能密度(W_rec3J/cm³)，這對電介質材料的擊穿強度提出很高要求，同時對電容的絕緣系統也提出很高的絕緣強度要求，難以順應當前元器件小型化、集成化的發展趨勢。此外，在實際應用中電容器往往需要承受較高的工作溫度和復雜的工作環境，因此電介質儲能陶瓷材料的溫度穩定性和抗疲勞性等綜合性能同樣不可忽視。綜上，為了更好的促進電容器的實用化發展要求，急需開發兼具優異溫度穩定性、抗疲勞性和低電場高儲能密度的反鐵電陶瓷材料。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有儲能陶瓷材料無法兼顧優異的溫度穩定性、抗疲勞性和低電場高儲能密度的儲能特性，無法適應復雜苛刻的工作環境以及當前元器件小型化、集成化發展趨勢的技術問題，而提供了一種高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷及其制備方法和應用。

本發明的目的之一在于提供一種高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷，所述高抗疲勞、低電場高儲能密度的反鐵電儲能陶瓷的化學通式為xNaNbO₃-(1-x)(Bi_0.5-yR_yNa_0.5)TiO₃-zMe，其中0.1≤x≤1，0.05≤y≤0.25，0≤z≤0.1，R是稀土離子，Me是生長助劑。

進一步限定，稀土離子為La³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺或Sm³⁺。

進一步限定，生長助劑為CuO、Li₂CO₃、MnO₂中的一種或兩種按任意比的混合物。