[发明专利]高储能密度铌酸钾锶基玻璃陶储能材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种电介质储能材料，尤其是涉及一种高储能密度铌酸钾锶基玻璃陶储能材料及其制备和应用。

背景技术

随着能源化石材料的消耗，环境的急剧恶化，人类对能源危机和环保的意识逐渐提高，新型可再生能源受到越来越多人的关注。近年来，在各国能源、交通、电力、通讯等部门的高度重视下，新能源如:电能、风能、太阳能、核能……的发展得到了一定的成绩。然而储能材料却成为制约各国新能源发展的技术瓶颈。发展高效储能技术，对于提高能源的综合利用率、缓解我国当前能源供应紧张的状况具有重要的意义；最理想的储能材料应具有高储能密度、高功率密度、低损耗等优点。最常研究的锂离子电池和固体燃料电池储能材料，其有储能密度的优点但是功率密度却不高，不能作为高脉冲、移动设备的电源。最近几年科学家们一直在寻求一种既有高储能密度又有高功率密度的储能材料。科学家Ragone指出静态电容器具有高功率密度(10⁴–10⁷W/kg)；最近研究指明超级电容器结合了高功率、高储能密度的特点。但是，要想使电容器材料具有高储能密度，这个材料就必须要有高的介电常数和高的耐击穿电场。当前应用于电容器的储能材料主要包括下列几种：(1)传统的铁电陶瓷，其优点在于高的介电常数，但是其内部气孔率高，致密度低，耐击穿电场低，并且由于其内部结构的不致密导致电容器的内耗大，易于在电容器内部产热而损坏电子元器件。(2)高聚物储能材料，其优点在于高的耐击穿电场(如PVDF～3MV/cm)，但是高聚物的介电常数极极低(<10)，从而导致其储能密度也不高，另外高聚物储能材料的热稳定性差，若电子元件产热过高容易损坏电容器。

作为最近热点研究的储能材料-玻璃陶瓷储能材料，采用高温-熔融的方法，首将玻璃和陶瓷成分熔化制备出玻璃熔浆。然后，块状玻璃的成型和去应力；最后，通过可控析晶的方法制备出大比例的亚微米、纳米尺寸的晶体和残余的玻璃相组成的且是无孔隙的玻璃-陶瓷。在可控析晶过程中，析晶方式的选择严重影响储能玻璃陶瓷储能密度。最为常见的热处理析晶的方式是传统加热；所谓，传统的加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，耗时耗能，并且在热量传递过程中，因为材料表面温度高于材料内部温度，容易出现样品先表面析晶和长大的现象，导致材料的局部显微结构不均匀，也很难得到细晶。在高储能的玻璃陶瓷材料内部，因为非均匀的显微结构的存在严重影响其耐击穿电场；又因为在析晶热处理过程中烧结时间过长，玻璃陶瓷材料内部容易形成杂相，影响储能玻璃陶瓷的耐击穿电场和介电常数。可见，传统析晶方式已经不能满足储能玻璃陶瓷的制备要求。微波烧结则是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。与传统烧结相比，微波烧结具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全卫生无污染等特点，并能提高产品的均匀性和成品率，改善被烧结材料的微观结构和性能，已经成为材料烧结领域里新的研究热点。通过微波析晶，制备出均匀显微结构的储能玻璃陶瓷，这对提高介质储能材料的储能密度具有重要意义。