[发明专利]一种磁控储能电容的电介质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质材料及储能电源技术领域，尤其是涉及一种磁控储能电容的电介质材料及其制备方法。

背景技术

目前广泛使用的蓄电池的能量密度和功率密度普遍在10-10²量级，循环寿命有限，不适宜大电流充放电。超级电容器在功率密度、循环寿命等方面有明显优势，但其能量密度、工作电压等性能参数较低。普通电容器具有很高的功率密度和循环寿命，适宜大电流充放电，而且具有较高的工作电压，易于薄膜化。但由于自身容量的限制，能量密度低，难以满足实际应用的要求。目前的普通电容和超级电容器的设计思路主要是通过缩小电极间距离、增加电极比表面积来提高电容值和能量密度或通过选择合适的电介质材料，提高其击穿电压，以及改变材料本身性质，提高其相对介电常数。

先前有专利提出磁电容储能的概念，通过磁场影响电介质材料的介电性质。正负电极为两层磁性金属材料，中间为电介质层。磁性金属提供垂直于电介质方向的磁场，使电介质内部介电极化发生变化，表观介电常数提高，电极与电介质界面存储的电荷密度增大，从而提高电容量和能量密度。

该专利提出所用电介质材料为TiO₂或钛酸钡。但其电介质材料并不含有磁性元素。磁控储能电容的电介质的介电性质受磁场影响，因此，选择的电介质材料本身应该具有磁性质或掺杂了磁性元素。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁控储能电容的电介质材料及其制备方法，通过施加一定强度的垂直于电介质的磁场，提高电介质的相对介电常数，抑制介电损耗，提高电容量和储能密度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磁控储能电容的电介质材料，电介质材料为掺杂磁性元素的CaCu₃Ti₄O₁₂材料，磁性元素的掺杂质量百分比不大于3％。

技术方案中，优选的，磁性元素为Co、Ni、La、Mn或Fe中的一种。

技术方案中，优选的，磁性元素为Ni，电介质材料的化学表达式为CaCu₃Ni_xTi_4-xO_12-2x。

技术方案中，优选的，电介质材料的化学表达式为Ca_1-xLa_xCu₃Ti₄O_12+x/2。

一种具有该电介质材料的磁控储能电容。

一种制备电介质材料的方法，包括：a.称量；b.湿法掺杂；c.粉体煅烧与分级；d.冷等静压成型；e.烧结。

技术方案中，优选的，步骤e中烧结过程中还对电介质材料施加10-20MPa的压力辅助材料结晶生长。

技术方案中，优选的，在步骤e后还进行步骤f.将电介质材料置于氧气气氛下，在500-700℃恒温条件下退火2-4小时。

一种使用电介质材料的方法，包括对电介质材料施加磁场，磁场方向垂直于电介质材料，磁场强度为0.3T-1T。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.该电介质材料通过磁场作用可获得更高的表观介电常数，从而增加电容量。通过控制掺杂元素摩尔量和化学价态，可以有效降低介电损耗。因此非常适合作为储能电源的电介质，可实现高功率密度、高能量密度和长寿命的储能电容器件。

2.本发明提出采用冷等静压成型和压力辅助烧结工艺制备磁性掺杂电介质材料。冷等静压成型可提高成型块材的致密度及其均匀性。压力辅助烧结有利于降低烧结温度和减少烧结时间，简化了工艺。同时控制电介质晶粒尺寸，获得较高致密度的电介质，有利于获得具有较高介电常数和较低介电损耗的电介质材料。

附图说明

图1是内部阻挡层电容等效电路模型示意图；图中：R_g表示晶粒电阻，C_g表示晶粒电容，R_gb表示晶粒电阻，C_gb表示晶界电阻，H表示磁场强度。

图2是本发明电介质材料制备工艺流程图

图3是本发明中电介质的X射线衍射图谱

图4是本发明中磁场对电介质的介电性能影响；a.施加磁场；b.不施加磁场