[发明专利]钛酸铋钠钛酸锶基储能陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高储能密度和高功率密度的钛酸铋钠钛酸锶基储能陶瓷材料及其制备方法，采用0.72Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑0.28SrTiO₃体系铁电材料为基础,将铋层状材料铌酸铋钡(BaBi₂Nb₂O₉)按照一定摩尔比掺入到钛酸铋钠钛酸锶基陶瓷中，采用固相合成方法，制备得到一种新型的具有高储能密度和高功率密度的储能陶瓷材料，该陶瓷材料的化学组成是(1‑x)(0.72Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑0.28SrTiO₃)‑xBaBi₂Nb₂O₉，其中0.01≤x≤0.04。本发明获得的储能陶瓷材料，主要性能参数可利用储能密度W_rec＝3.97J/cm³，储能效率η＝81％，在120kV/cm电场下，电流密度509.5A/cm²功率密度(P_D)可达30.57MW/cm³。此外制备工艺稳定可靠，生产成本低，易于实现工业化生产，在储能领域具有良好的应用前景。利用这种材料制得的陶瓷元件，组装成各种储能电容器，能够运用到军事(为电磁枪炮、飞机弹射系统提供电能)、民用(电动汽车逆变器等)、和科学领域(粒子加速器的驱动等)等领域。

技术领域

本发明涉及一种具有高储能密度和高功率密度的钛酸铋钠钛酸锶基储能陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种添加铋层状结构材料铌酸铋钡(BaBi₂Nb₂O₉)的钛酸铋钠钛酸锶(BNT-ST)基储能陶瓷材料的制备，属于脉冲功率电容器用陶瓷介质材料领域。

背景技术

随着电子工业的发展，在电网系统、脉冲功率技术以及混合动力车等领域迫切需求一种具有储能密度高、功率密度高的电介质材料。块体陶瓷电介质材料具有较高的温度稳定性以及储能总量，有很好的优势。目前，应用较广的储能陶瓷材料还是以铅基材料为主，但是铅基材料在制备、使用及废弃后处理过程中会对环境以及人体健康造成严重的影响，因此无铅储能陶瓷材料成为了国内外学者的研究重点。

由于在低电场下具有较大的饱和极化强度，钛酸铋钠(BNT)基弛豫铁电材料在储能领域具有很大的潜力。另外BNT可以和许多材料(如BaTiO₃、SrTiO₃、K_0.5Na_0.5NbO₃等)形成固溶体，有利于减小剩余极化强度，提升储能性能。其中，(1-x)BNT-xST体系在x＝0.24～0.28的组成范围内具有较大的饱和极化强度(P_max)和较小的剩余极化强度(P_r)，表现出较好的储能性能。然而较低的耐击穿强度(BDS)和不可忽略的剩余极化强度(P_r)仍然限制了储能性能的进一步提升。因此，如何进一步提升钛酸铋钠基储能材料的储能性能成为了储能材料领域

研究的一个重要课题。

本发明首次将铋层状结构材料(BaBi₂Nb₂O₉)引入到钙钛矿结构的钛酸铋钠钛酸锶(0.72BNT-0.28ST)储能材料中，并且获得了3.97J/cm³的可利用储能密度和81％的储能效率。

发明内容

针对上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种钛酸铋钠钛酸锶基储能陶瓷材料的制备方法，利用铋层状结构材料铌酸铋钡(BaBi₂Nb₂O₉)的添加增强钛酸铋钠钛酸锶基储能陶瓷材料的储能性能，制备出一种新型的、环境友好型的具有高储能密度和高功率密度的储能陶瓷材料。

本发明可以通过以下技术方案来实现：