一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法技术

一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，涉及弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法。解决现有技术下BNT基弛豫铁电陶瓷需要高驱动电场才能获得高的有效储能密度，同时其他高储能性能难以兼顾的问题。材料的化学通式为(Bi

【技术实现步骤摘要】
一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]电介质储能电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，在核物理技术、新能源发电系统、医用手术激光、定向能武器等脉冲功率电子设备及电力系统领域有着广泛的需求。目前，陶瓷储能电容器相对较低的储能密度无法满足电力电子器件和产品向集成化、轻量化和小型化方向发展的需求，设计研发出具有高储能性能的陶瓷材料对器件性能提升及升级换代至关重要。作为衡量介电陶瓷储能性能的重要参数，其储能密度和效率的计算公式如下：
[0003][0004][0005]其中W
rec
为有效储能密度，W
t
为总储能密度，η为储能效率，P
max
为饱和极化强度，P
r
为剩余极化强度，E为外加电场，P为极化强度。
[0006]Bi
0.5
Na
0.5
TiO3(BNT)基弛豫铁电陶瓷因具有高的P
max
成为储能材料的热点备选体系之一。近年来，研究学者通过调控材料组成来提升极化差值ΔP(即P
max
‑
P
r
)，通过改变烧结方法和设计多层结构等来提升击穿场强E
b
，使得BNT基陶瓷的储能性能得到了持续性的提高。然而，目前往往需要高驱动电场才能获得高的有效储能密度W
rec
，例如，高于3J/cm3的W
rec
通常需要施加高于250kV/cm的电场。高电场的施加对所在设备系统的匹配部件和支撑绝缘部分提出了更加苛刻的要求，并且会阻碍其在小型化和轻量化设备系统中的应用，也对电容器使用的安全性和可靠性带来了挑战。此外，储能陶瓷在实际应用中还需要具备一定的温度稳定性、频率稳定性以及优异的充放电特性。因此，研发具有低电场驱动高储能性能的陶瓷材料可望极大拓宽其电介质储能电容器的实用化范围。

技术实现思路

[0007]本专利技术是要解决现有技术下BNT基弛豫铁电陶瓷需要高驱动电场才能获得高的有效储能密度，同时其他高储能性能(例如储能效率、使用稳定性等)难以兼顾的问题，而提供一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法。
[0008]一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料，它的化学通式为(Bi
0.5
Na
0.5
)
(1
‑
x)
Sr
x
Ti
(1
‑
y)
(M,N)
y
O3，其中M为Al、Fe和Mg中的一种或其中几种的组合，N为Nb和Ta中的一种或其中两种的组合，0.10≤x≤0.50，0.02≤y≤0.30；
[0009]所述的低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料的平均晶粒尺寸在亚微米级别，在驱动电场低于250kV/cm的条件下，获得高于3.7J/cm3的有效储能密度，储能效率在80％以上，且在温度为20℃～140℃和频率为0.2Hz～200Hz之间，有效储能
密度变化率不超过9％；所述的低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料最大放电密度释放90％的时间小于65ns。
[0010]一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，它是按以下步骤完成的：
[0011]一、基体细粉制备：
[0012]以化学通式(Bi
0.5
Na
0.5
)
(1
‑
x)
Sr
x
Ti
(1
‑
y)
(M,N)
y
O3的化学计量比称取Bi2O3粉体、Na2CO3粉体、SrCO3粉体、TiO2粉体、M的氧化物粉体和N的氧化物粉体，得到原料，将原料经一次球磨及烘干，得到混合原料，将混合原料预烧、二次球磨及烘干，得到基体细粉；其中M为Al、Fe和Mg中的一种或其中几种的组合，N为Nb和Ta中的一种或其中两种的组合，0.10≤x≤0.50，0.02≤y≤0.30；
[0013]所述的M的氧化物粉体、N的氧化物粉体和TiO2粉体的粒径均≤100nm；所述的基体细粉为纯钙钛矿相且平均粒径小于200nm；所述的一次球磨及二次球磨均采用无水乙醇作为球磨介质；
[0014]二、流延膜片制备：
[0015]将基体细粉、溶剂及分散剂通过球磨混合，得到混合液a，向混合液a中加入粘合剂和塑化剂再次球磨，得到混合液b，将混合液b进行真空抽泡，得到分散均匀且流动性好的浆料，在流延机上以0.5cm/s～20cm/s的速度流延，得到流延膜片；
[0016]所述的流延膜片厚度为10μm～150μm；
[0017]三、储能陶瓷制备：
[0018]将流延膜片依次进行干燥、切割、叠片及热压，然后在温度为60℃～95℃及压力为10MPa～60MPa的条件下进行热水匀压，得到素坯样品，将素坯样品排胶，再在压力为100MPa～300MPa的条件下冷等静压1min～6min，得到陶瓷生坯；将陶瓷生坯置于高温炉中，在温度为1000℃～1200℃的条件下，烧结1h～6h，然后对烧结后的试件上下表面打磨、超声清洗并烘干，在打磨后的上下表面分别溅射金电极或者均匀涂覆银浆并进行烧银，得到低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料。
[0019]原理：本专利技术选择在准同型相界附近具有高P
max
的(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xSrTiO3固溶体为基体，结合组成设计策略和流延工艺制备低驱动电场下具有高储能密度并兼顾好的温度&频率稳定性和超快放电速率的(Bi
0.5
Na
0.5
)
(1
‑
x)
Sr
x
Ti
(1
‑
y)
(M,N)
y
O3储能陶瓷。具体来说，在其钙钛矿ABO3型结构的B位引入电荷和式量均不同的复合离子(M,N)
4+
来取代Ti
4+
，可将最大介电常数所对应的温度T
m
移向室温方向，增加材料的弛豫性，而且B位离子的电荷和离子半径不等所引起的随机局部场破坏了长程有序的铁电畴，产生了具有高动态响应特征以及低能量势垒的纳米畴和极性纳米微区(PNRs)，这些有效地降低了材料的P
r
并显著提升了极化差值ΔP(即P
max
‑
P
r
)。在此基础上采用细晶基体粉体和流延工艺制备样品，能够在烧结过程中形成更致密、孔隙率更低、平均晶粒尺寸更小(在亚微米级别)的微观结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于它的化学通式为(Bi
0.5
Na
0.5
)
(1
‑
x)
Sr
x
Ti
(1
‑
y)
(M,N)
y
O3，其中M为Al、Fe和Mg中的一种或其中几种的组合，N为Nb和Ta中的一种或其中两种的组合，0.10≤x≤0.50，0.02≤y≤0.30；所述的低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料的平均晶粒尺寸在亚微米级别，在驱动电场低于250kV/cm的条件下，获得高于3.7J/cm3的有效储能密度，储能效率在80％以上，且在温度为20℃～140℃和频率为0.2Hz～200Hz之间，有效储能密度变化率不超过9％；所述的低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料最大放电密度释放90％的时间小于65ns。2.根据权利要求1所述的一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于所述的M为Al。3.根据权利要求1所述的一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于0.20≤x≤0.40，0.02≤y≤0.20。4.如权利要求1所述的一种低电场驱动高储能密度和超快放电速率的弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、基体细粉制备：以化学通式(Bi
0.5
Na
0.5
)
(1
‑
x)
Sr
x
Ti
(1
‑
y)
(M,N)
y
O3的化学计量比称取Bi2O3粉体、Na2CO3粉体、SrCO3粉体、TiO2粉体、M的氧化物粉体和N的氧化物粉体，得到原料，将原料经一次球磨及烘干，得到混合原料，将混合原料预烧、二次球磨及烘干，得到基体细粉；其中M为Al、Fe和Mg中的一种或其中几种的组合，N为Nb和Ta中的一种或其中两种的组合，0.10≤x≤0.50，0.02≤y≤0.30；所述的M的氧化物粉体、N的氧化物粉体和TiO2粉体的粒径均≤100nm；所述的基体细粉为纯钙钛矿相且平均粒径小于200nm；所述的一次球磨及二次球磨均采用无水乙醇作为球磨介质；二、流延膜片制备：将基体细粉、溶剂及分散剂通过球磨混合，得到混合液a，向混合液a中加入粘合剂和塑化剂再次球磨，得到混合液b，将混合液b进行真空抽泡，得到分散均匀且流动性好...

【专利技术属性】
技术研发人员：常云飞，谢航，刘琳婧，寇蔷薇，吕蕊，孙媛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：