[发明专利]高储能密度的铌硅基玻璃储能材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电介质储能材料领域，尤其是涉及一种高储能密度的铌硅基玻璃储能材料及其制备和应用。

背景技术

随着化石燃料的持续消耗与能源需求的不断增加，能源危机步步紧逼，开发新能源与能源存储备受关注。能源存储对储能设备的储能密度与利用效率都具需求，因此性能优良的储能材料及储能器件成为材料科学研究的重点。

储能电容器由于其储能密度高、利用率高、充放电速度快、性能稳定等优点成为常用的高储能电路元器件，并成为脉冲功率技术中的主要储能元件，应用于混合动力汽车、电磁轨道炮武器、全电动军舰等国防及现代工业领域中。而随着科学技术的发展与时代的进步，在维持高储能的同时实现小型化、轻型化已成为工业发展的需求，因此高储能密度的电介质材料应运而生。储能密度与储能介质的介电常数和击穿强度有关，而放电效率又对其损耗有所要求，近来，在诸多储能材料中，线性储能材料由于其相对高的储能密度与功率密度而备受关注。

中国专利CN 105271761A公开了高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料及其制备和应用，按配方配料后，铌酸盐基玻璃陶采用高温熔融-快冷急技术制得透明铌酸盐玻璃；然后通过可控析晶制备得到高储能密度的铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料。受控析晶制备的玻璃陶瓷材料虽然具有较高的介电常数，但其击穿也大幅降低，最佳击穿强度为1020.47kV/cm，其最大储能密度可达5.67J/cm³，仍相对较低。由于线性材料的储能密度计算为：W＝1/2ε₀ε_rE²，储能密度正比于击穿强度的平方，因此提高击穿可获得更高的储能密度。本专利所制的铌硅基纯玻璃储能材料，具有较商业玻璃更高的介电常数，及较现有玻璃陶瓷材料更大的击穿强度，最佳击穿强度可达3417.8kV/cm，大大提高了储能密度，最佳可达11.06J/cm³。另外，玻璃储能材料具有更好的机械加工性能，有利于进一步的加工与应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高储能密度的铌硅基玻璃储能材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

高储能密度的铌硅基玻璃储能材料，按摩尔比25.6BaO-6.4R₍₂₎O-32Nb₂O₅-36SiO₂进行配料，所述的R为碱金属或碱土金属。

所述的碱金属Li、Na、K或Na_1/2K_1/2。

所述的碱土金属为Ba。

该玻璃储能材料的玻璃网络结构由[NbO₆]^-及[SiO₄]基团组成，网络调整体为网络间隙中的碱土金属离子Ba²⁺，及碱金属离子Li⁺、Na⁺或K⁺，游离金属离子中和[NbO₆]^-的电价或与非桥氧结合。

高储能密度的铌硅基玻璃储能材料的制备方法，采用以下步骤：

(1)以BaCO₃、R₂CO₃、Nb₂O₅和SiO₂为原料，按摩尔比25.6BaO-6.4R₍₂₎O-32Nb₂O₅-36SiO₂进行配料，其中R为Ba、Li、Na、K或Na_1/2K_1/2；

(2)将步骤(1)的配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔融，制得高温熔体；

(3)将步骤(2)制得的高温熔体澄清数小时后，浇注至预热的金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃；

(4)将步骤(3)制得的玻璃切割成厚度为0.9～1.2mm的玻璃薄片，进行研磨抛光，即得铌硅基玻璃储能材料。

步骤(1)中各原料纯度大于99.95wt％。

步骤(2)在混合时，添加酒精润湿原料后，球磨混料20～30h，优选20～24h，烘干，即得混合料，高温熔融的工艺条件为：在1500～1600℃下高温熔融1～3h。