[发明专利]一种高储能密度钛酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高储能密度钛酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷及其制备方法，所述钛酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷材料的化学组成为：(1‑x)(Ba_0.55Sr_0.45)TiO₃‑xBi(Mg_2/3Nb_1/3)O₃，其中，0＜x≤0.15。

技术领域

本发明涉及一种无铅储能陶瓷材料，具体涉及一种高储能密度钛酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷及其制备方法，属于功能陶瓷领域。

背景技术

随着科学技术不断发展，脉冲功率技术的应用领域越来越广阔。脉冲功率技术是借助于低功率电源以较缓慢的速度把能量存储起来，然后通过脉冲功率系统将这些能量压缩成高功率脉冲，于是能在很短的时间内(可至纳秒级)释放到特定的负载上。由于脉冲功率技术一直受到储能技术的制约，因此电储能材料近年来受到越来越多的关注。储能材料涵盖范围十分广泛，包括燃料电池、锂离子电池、电化学超级电容器和静电电容器等。尽管各类电池具有很高的储能密度，但是受限于它们迁移速度较为缓慢的电荷载流子，输出功率都较低；电介质电容器依靠外电场下的极化响应而存储能量，能实现电能以静电荷形式直接存储于两极板中，该过程不涉及物质的扩散，因此具有极高的充放电速度，从而具有很高的输出功率密度。

目前，用于储能电容器的电介质主要可分为陶瓷和聚合物两类。聚合物因其高的介电击穿强度而具有高的储能密度，但是聚合物熔点低，且高温下介电性能下降；陶瓷具有独特的机械和化学稳定性，能够适用于高温高压等极端环境。陶瓷电介质根据在电场下不同的极化响应机制，又分为四类：线性介质、铁电介质、弛豫铁电介质和反铁电介质。线性电介质的极化强度随外电场线性增大，介电常数基本保持不变，通常具有高的介电击穿强度和低介电损耗，但是极化强度较小，不利于储能；铁电介质有较大的自发极化强度和适中的介电击穿强度，但是由于过大的剩余极化强度，它们的储能密度和效率都较低；反铁电介质有较大的自发极化强度和较小的剩余极化强度，从而具有较大的储能密度，但是因其在电场作用下存在反铁电-铁电相变并伴随着较大的应变，致使转折电场下极易发生介电击穿。不同于铁电介质具有长程有序电畴结构以及高的剩余极化强度，弛豫铁电介质具有极性纳米微区，表现出较小的剩余极化强度、高的饱和极化强度和较低的矫顽场。弛豫铁电介质这些特性非常有利于实现高的储能密度和储能效率，但是这类材料大部分都是含铅体系。自2002年以来，欧盟、美国和日本都制定了严格的环保法律(WEEE/RoHS)，限制或禁止包括Pb在内的多种有毒物质在电子器件中使用。另一方面，目前常用电介质电容器储能密度都较低，这就导致储能器件体积庞大，约占整个设备体积的40％～60％。因此提高储能密度和实现无铅化是电介质陶瓷的重要发展趋势。

钛酸锶钡((Ba_xSr_1-x)TiO₃，简称BST)是钛酸钡(BaTiO₃)和钛酸锶(SrTiO₃)的完全固溶体，具有高的介电常数，低的介电损耗，改变Ba/Sr比例能够在很宽的温度范围内调节材料的介电性能。H.B.Yang等(J.Eur.Ceram.Soc.38，1367–1373(2018))在Ba_0.4Sr_0.6TiO₃中添加Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂玻璃料，在279kV/cm下得到最大储能密度为1.98J/cm³，效率为90.57％。J.Y.Wu等(Nano Energy,50，723-732(2018))通过在BNT中掺入Sr和Li构筑一种具有极性纳米微区(PNRs)结构的弛豫铁电陶瓷，得到最大储能密度为1.7J/cm³，储能效率为87.2％。

发明内容