[发明专利]一种高储能密度的铌酸钡铅钾基玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高储能密度的铌酸钡铅钾基玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用，制备方法包括首先以BaO、K₂O、Nb₂O₅、Al₂O₃和SiO₂为原料，依照(26.5‑x)BaO‑7.5K₂O‑30Nb₂O₅‑6Al₂O₃‑30SiO₂‑xPbO中的摩尔比进行配料并混合均匀，再经过高温熔化后得到高温熔浆；之后将高温熔浆浇入预热模具中成型，并保持该预热温度退火以去除残余应力，再经切片后得到玻璃薄片；最后将玻璃薄片转移至析晶炉中进行析晶，即得到铌酸钡铅钾基玻璃陶瓷材料。与现有技术相比，本发明通过掺杂少量的Pb，使材料耐击穿场强(2089kV/cm)与储能密度(17.6J/cm³)得到协同强化，并避免高掺杂Pb所产生的危害人体健康或污染环境问题，同时基于该材料良好的温度稳定性，其有望作为极端环境下高储能密度电容器材料而得到广泛应用。

技术领域

本发明属于电介质储能材料技术领域，涉及一种高储能密度的铌酸钡铅钾基玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，工业社会的快速发展已使人类对能源的需求越来越大，除了开发更多的新能源外，如何提高现有能源的有效利用率是广大研究人员的另一研究热点，其中电力作为应用中的一种过渡能源，如何提高其使用效率，更是研究领域的重中之重。为了提高电能的利用效率，各种储能技术应运而生，目前常见的有化学电池，超级电容器以及电介质电容器，由于它们各自不同的性能特点已经广泛应用于各自不同的领域，如化学电池具有很高的储能密度，但功率密度很低，超级电容器储能密度低，但功率密度高，具有快速充放电特性，循环性较好，电介质电容器相比于以上两种储能器件，具有更高的功率密度(约108W/kg)，充放电时间极短，所以近年来，电容器凭借功率密度高，充放电速度快，循环稳定，性能稳定以及可以适应高温高压等极端环境等优点，成为了研究领域的热点(Hao X.,A reviewon the dielectric materials for high energy-storageapplication.J.Adv.Dielect.,2013,3(01):1330001)。电容器的最大用武之地则在脉冲技术领域，脉冲技术就是在极短的时间内将储存的能量释放出来，因而要求储能材料在具有高储能密度的同时具有较高功率密度，但目前的储能材料存在储能密度较低，循环寿命短，温度稳定性差等缺点，导致电容器体积大，功率密度小，性能不稳定，因此寻找合适的储能材料迫在眉睫。

玻璃陶瓷又称微晶玻璃，是一种特殊的复合材料，可被用作电介质储能材料。玻璃陶瓷利用玻璃的热力学性质，将特定组分的原料在高温熔融，在预定温度下，将玻璃熔浆倒入铜制模具中成型并在保温状态下退火得到透明均一的玻璃基体，将玻璃基体在受控条件下析晶，在玻璃相中析出具有高介电常数相的晶相，最终形成铁电晶相和玻璃相均匀分布的玻璃陶瓷材料。玻璃陶瓷材料中晶相的晶粒尺寸、形貌都可以通过析晶过程来实现控制，其晶粒尺寸常常在纳米级至微米级，通过受控析晶在玻璃相中析出铁电晶相，使玻璃陶瓷的介电常数得到了提高，另外析晶过程主要在玻璃基体中均匀进行，具有很高的致密度，因而玻璃陶瓷又具有很高的耐击穿场强，从而同时实现了高介电常数和高耐击穿场强，材料的储能密度得到了大大的提高，另外由于晶相尺寸较小，铁电性往往不显现，属于线性介质材料，因此相对于陶瓷介质材料，玻璃陶瓷材料具有很高的充放电速度及效率。但玻璃陶瓷也会遇到和大多复合材料相似的问题，由于玻璃陶瓷中析晶相和玻璃相介电常数巨大的差异，会产生不可忽视的界面极化现象，界面极化的存在会导致材料所存储的能量无法得到充分的释放，所以会对材料的充放电性能造成一定的影响。