[发明专利]一种铌酸银基陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铌酸银基陶瓷及其制备方法，通过高温固相反应法在氧气气氛中制得了铌酸银基陶瓷粉末，然后得用传统固相法进行烧结，制得了铌酸银基陶瓷，该陶瓷材料的储能密度可达4.6J/cm³，储能效率高达57.5％，击穿电场强度可达220kV/cm，具有高抗击穿电场、高储能密度与高储能效率的优点，可应用于制备绝缘电介质。所述绝缘电介质还可应用于制备储能电容器。因此该陶瓷材料在脉冲电源领域有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及介电储能陶瓷材料，具体涉及一种铌酸银基陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

人类社会的发展对能源需求量越来越大，提高各类能源使用效率显得尤为重要。相较于其他电能存储装置(如化学电池、燃料电池等)，介电储能电容器的有效储能密度高，充放电速率快，并且循环老化速度缓慢。并且，介电储能电容器在高温高压等极端环境中性能稳定，因此在先进电力电子技术领域有重要的实用价值。

商用的介电电容器一般以介电聚合物或介电陶瓷作为主要材料，他们的能量密度一般小于2J/cm³。高储能密度电容器被广泛应用于能源发电系统等民用装置、军事化武器、电气化发射平台等军用方面。电气化发射平台工作电流高达100kA，电压高达1MV。因此，提高介电材料储能特性进而实现设备的小型集成化显得尤为重要。

传统的PLZST反铁电储能介质陶瓷具有优良的储能特性(可释放储能密度高达6.4J/cm³)，但是由于该体系陶瓷含有大量的有毒物质铅，在生产、使用及后处理过程中会对人类身体健康及环境造成严重伤害。

2007年日本的Fu等人在AgNbO₃:A lead-free material with largepolarization and electromechanical response一文中发现，AgNbO₃陶瓷在180kV/cm的电场条件下可以发生反铁电到铁电相的转变，出现双电滞回线。在电场强度达到220kV/cm时，其饱和极化强度可达52μC/cm²。但是Fu等人仅仅只对该陶瓷的极化强度和机电响应进行了研究，并未提出用该类陶瓷进行介电储能研究。

正是由于其具有高饱和极化强度、低剩余极化强度和高击穿电场强度，2016年Tian等人在High energy density in silver niobate ceramics一文中首次提出将该材料作为反铁电储能介质材料，并在单项纯AgNbO₃陶瓷中于175kV/cm条件下获得了2.1J/cm³的可释放储能密度。虽然该陶瓷在单项无铅反铁电陶瓷中具有可观的储能密度，但是相比较于含铅的反铁电储能陶瓷而言，其储能密度依然很低，这对于介电储能电容器的小型集成化不利。

因此，为满足环境保护和人类健康的需求，且进一步提高无铅反铁电储能陶瓷的储能性能，研究开发性能优良的无铅反铁电储能介质陶瓷是一项紧迫且具有实际意义的课题。

Tian等人在Phase transitions in bismuth-modified silver niobateceramics for high power energy storage一文中，通过A位掺杂La，成功制备得到了铌酸银基无铅反铁电储能陶瓷，其储能密度为2.6J/cm³。