一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷及其制备方法与应用，属于电能储存材料领域。制备方法为将反铁电介质和线性介质进行复合，得到反铁电储能陶瓷为反铁电介质与线性介质的复合物。所述反铁电介质为(Pb0.93Ba0.04La0.02)(Zr0.95‑xSnxTi0.05)O3，其中x的取值范围为0.3≤x≤0.45，所述线性介质为Ca(ZryTi1‑y)O3，其中y的取值范围为0.3≤y≤0.5。本发明专利技术通过高储能密度介质与高储能效率介质的复合，获得了储能密度达到4.39J/cm

An Antiferroelectric Energy Storage Ceramic with Enhanced Energy Storage Efficiency and Its Preparation Method and Application

The invention discloses an antiferroelectric energy storage ceramics with improved energy storage efficiency and a preparation method and application thereof, belonging to the field of energy storage materials. The preparation method is that antiferroelectric dielectrics and linear dielectrics are compounded, and antiferroelectric energy storage ceramics are compounded with antiferroelectric dielectrics and linear dielectrics. The antiferroelectric medium is (Pb0.93Ba0.04La0.02) (Zr0.95 xSnxTi0.05) O 3, where the value of X is 0.3 < x < 0.45, and the linear medium is Ca (ZryTi1 y) O 3, where the value of Y is 0.3 < y < 0.5. By compounding high energy storage density medium and high energy storage efficiency medium, the energy storage density of the invention reaches 4.39J/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷及其制备方法与应用
本专利技术属于电能储存材料领域，具体涉及一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷及其制备方法与应用。
技术介绍
目前，介质电容器已成为航空航天电力电子、地下天然气和石油勘探、混合动力交通工具逆变设备中不可或缺的组成部分；电磁炮、定向能武器、综合全电力推动舰艇等负载所需要的高驱动电流也只有该类电容器可以提供。国内外在高储能密度介质材料上的研制水平基本一致，高储能密度已普遍在掺镧锆锡钛酸铅(PLZST)反铁电陶瓷中获得，然而储能效率高达90％以上的报道甚少。由于能量耗散主要以热能的形式散发，低的储能效率不仅会造成能源的浪费，也容易因散热而引起器件局部过热。因此，除了高储能密度外，高储能效率在实际应用中同样具有重要意义。同时，介质电容器朝小型化、轻型化及多功能方向发展对电容器储能密度及储能效率提出了更高的要求。提高电容器储能特性的关键在于开发出具有高储能密度及高储能效率的电介质材料。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中反铁电储能陶瓷储能效率低的技术问题。根据本专利技术的第一方面，提供了一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷的制备方法，含有以下步骤：(1)反铁电预烧粉体的制备：将PbO粉体、BaCO3粉体、La2O3粉体、ZrO2粉体、SnO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体A，所述PbO、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2和TiO2的物质的量之比为0.93：0.04：0.01：(0.95-x)：x：0.05，所述x的取值范围为0.3≤x≤0.45；将所述混合粉体A在800℃-880℃条件下保温2h-3h，得到反铁电预烧粉体；(2)线性介质材料的制备：将CaCO3粉体、ZrO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体B，所述CaCO3、ZrO2和TiO2的物质的量之比为1：y：(1-y)，所述y的取值范围为0.3≤y≤0.5；将所述混合粉体B在1100℃-1200℃条件下保温3h-4h，然后进行预压，将预压后的粉料在1400℃-1500℃温度下煅烧2h-3h，即得到线性介质材料；(3)反铁电预烧粉体与线性介质材料复合：将步骤(1)得到的反铁电预烧粉体与步骤(2)得到的线性介质材料进行混合得到混合粉体C，所述线性介质材料质量为混合粉体C质量的1％-8％；将所述混合粉体C在1200℃-1250℃温度下煅烧2h-3h，即得到储能效率提高的反铁电储能陶瓷。优选地，步骤(1)中所述保温之后，还包括依次进行的球磨、烘干和过筛的步骤，过筛之后再进行预压。优选地，步骤(1)所述烘干所采用的温度为90℃-110℃；步骤(1)所述过筛的过筛目数为60目-80目。优选地，步骤(2)中所述煅烧之后，还包括依次进行球磨、烘干和过筛的步骤。优选地，步骤(2)所述烘干所采用的温度为90℃-110℃；步骤(2)所述过筛的过筛目数为60目-80目。优选地，步骤(2)中所述预压的压力为15MPa-20MPa。优选地，步骤(3)中所述煅烧步骤之前，还包括将混合粉体C依次进行球磨、烘干、粉碎、造粒和干压的步骤；所述造粒为加入聚乙烯醇溶液进行造粒；所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量分数为3％-5％；所述聚乙烯醇溶液的质量为混合粉体C质量的6％-10％。优选地，步骤(3)所述干压的压力为18MPa-20MPa。根据本专利技术的另一方面，提供了任一所述方法制备得到的储能效率提高的反铁电储能陶瓷，所述反铁电储能陶瓷为反铁电介质与线性介质的复合物；所述反铁电介质为(Pb0.93Ba0.04La0.02)(Zr0.95-xSnxTi0.05)O3(PBLZST)，其中x的取值范围为0.3≤x≤0.45；所述线性介质为Ca(ZryTi1-y)O3(CZT)，其中y的取值范围为0.3≤y≤0.5。根据本专利技术的另一方面，提供了所述储能效率提高的反铁电储能陶瓷作为电容器介质材料的应用。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本专利技术提供了一种简单有效的方法来提高反铁电储能陶瓷材料的储能效率。从材料电滞回线与储能效率定义可知，反铁电介质储能效率较低，线性介质储能效率较高。为解决现有反铁电陶瓷材料储能密度可观但效率较低的问题，本专利技术将储能密度高的反铁电材料与储能效率高的线性材料进行复合，获得具有高储能密度及储能效率的反铁电材料。(2)本专利技术制备的介质储能陶瓷优点在于，结合了反铁电介质的高储能密度与线性介质)的高储能效率的特点，获得了兼具高储能密度和储能效率的反铁电储能材料。所得样品储能密度由2.95J/cm3提升到4.39J/cm3、储能效率由77.23％提升为92.23％。这对反铁电储能陶瓷材料的实际应用具有重要价值。(3)本专利技术中所用反铁电介质(Pb0.93Ba0.04La0.02)(Zr0.95-xSnxTi0.05)O3的组分选取Pb0.97La0.02(ZrSnTi)O3相图获取，通过调整Zr、Sn、Ti含量的，以及引入大离子半径的Ba2+，获得极化强度达45μC/cm2，双电滞回线明显，储能密度为2.95J/cm3的反铁电材料。(4)本专利技术制备过程中在线性介质材料CaTiO3中引入Zr，制备的Ca(ZryTi1-y)O3减小了CZT的介电常数，有利于获得储能效率高且击穿场强大的线性材料。(5)本专利技术的制备方法中，首先分别采用固溶法制备反铁电预烧粉体(800℃-880℃)和线性介质材料(1400℃-1500℃)，完成反铁电材料与线性材料的分别合成。第三步采用复合方法，以反铁电预烧粉体为母体，以线性介质材料为第二相进行复合(1200℃-1250℃)，实现反铁电介质与线性介质的共存，获得了储能密度和储能效率具有显著提高的复合材料。(6)本专利技术制备方法中，所述线性介质材料质量为反铁电预烧粉体与线性介质材料质量的1％-8％，得到的复合材料中，不仅储能效率得到了有效的提升(由77.23％提升到92.23％)，同时储能密度也由2.95J/cm3提升到4.39J/cm3，储能密度的提升主要由于线性介质的引入提升了复合材料的耐受场强，且反铁电到铁电的相变电场向高电场方向移动。(7)本专利技术复合制备过程中，优选地将混合粉体依次进行球磨、烘干、粉碎、造粒和干压的步骤，以使反铁电预烧粉体与线性介质材料充分混匀，得到均匀的混合粉体，煅烧之后得到均匀的复合材料。(8)本专利技术制备方法中，两相复合的过程中中采用适合母体材料PBLZST烧结的温度范围1200℃-1250℃下煅烧混合粉料，保温2h-3h，保证两相的共存。若温度过高，则出现过烧现象，铅损失严重，样品的相结构不纯净；若温度过低，则成瓷性不好。附图说明图1是本专利技术对比例1和实施例1-5反铁电陶瓷样品XRD示意图。图2是本专利技术对比例1和实施例1-5反铁电陶瓷样品介温曲线。图3是本专利技术对比例1和实施例1-5样品的电滞回线示意图。图4是本专利技术对比例1和实施例1-5样品的储能密度、储能效率变化图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷的制备方法，其特征在于，含有以下步骤：(1)反铁电预烧粉体的制备：将PbO粉体、BaCO3粉体、La2O3粉体、ZrO2粉体、SnO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体A，所述PbO、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2和TiO2的物质的量之比为0.93：0.04：0.01：(0.95‑x)：x：0.05，所述x的取值范围为0.3≤x≤0.45；将所述混合粉体A在800℃‑880℃条件下保温2h‑3h，得到反铁电预烧粉体；(2)线性介质材料的制备：将CaCO3粉体、ZrO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体B，所述CaCO3、ZrO2和TiO2的物质的量之比为1：y：(1‑y)，所述y的取值范围为0.3≤y≤0.5；将所述混合粉体B在1100℃‑1200℃条件下保温3h‑4h，然后进行预压，将预压后的粉料在1400℃‑1500℃温度下煅烧2h‑3h，即得到线性介质材料；(3)反铁电预烧粉体与线性介质材料复合：将步骤(1)得到的反铁电预烧粉体与步骤(2)得到的线性介质材料进行混合得到混合粉体C，所述线性介质材料质量为混合粉体C质量的1％‑8％；将所述混合粉体C在1200℃‑1250℃温度下煅烧2h‑3h，即得到储能效率提高的反铁电储能陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种储能效率提高的反铁电储能陶瓷的制备方法，其特征在于，含有以下步骤：(1)反铁电预烧粉体的制备：将PbO粉体、BaCO3粉体、La2O3粉体、ZrO2粉体、SnO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体A，所述PbO、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2和TiO2的物质的量之比为0.93：0.04：0.01：(0.95-x)：x：0.05，所述x的取值范围为0.3≤x≤0.45；将所述混合粉体A在800℃-880℃条件下保温2h-3h，得到反铁电预烧粉体；(2)线性介质材料的制备：将CaCO3粉体、ZrO2粉体和TiO2粉体充分混匀得到混合粉体B，所述CaCO3、ZrO2和TiO2的物质的量之比为1：y：(1-y)，所述y的取值范围为0.3≤y≤0.5；将所述混合粉体B在1100℃-1200℃条件下保温3h-4h，然后进行预压，将预压后的粉料在1400℃-1500℃温度下煅烧2h-3h，即得到线性介质材料；(3)反铁电预烧粉体与线性介质材料复合：将步骤(1)得到的反铁电预烧粉体与步骤(2)得到的线性介质材料进行混合得到混合粉体C，所述线性介质材料质量为混合粉体C质量的1％-8％；将所述混合粉体C在1200℃-1250℃温度下煅烧2h-3h，即得到储能效率提高的反铁电储能陶瓷。2.如权利要求1所述的储能效率提高的反铁电储能陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述保温之后，还包括依次进行的球磨、烘干和过筛的步骤。3.如权利要求2所述的储能效率提高的反铁电储能陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述烘干所采用的温度为9...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘品，姜胜林，张光祖，曾亦可，李明钰，
申请(专利权)人：华中科技大学，深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42