[发明专利]无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料及其制备方法和应用，复合陶瓷材料的化学组成为(1‑x)(0.97BaTiO₃‑0.03NaNbO₃)‑xBi(Zn_0.5Zr_0.5)O₃/AlN；其中，0.0≤x≤0.7，AlN占陶瓷材料的质量百分数小于等于10％，且AlN为纳米级颗粒，分布在陶瓷材料内部晶粒之间的空隙。本发明通过引入低介电、宽禁带半导体材料AlN，提高材料整体击穿场强；通过引入弛豫元素Bi离子、Zn离子和Zr离子，提高材料体系的弛豫度，提高微观极性纳米微区的含量，进而提高材料的储能效率和温度稳定性。

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，更具体地，涉及无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

与锂电池和电化学电容器相比，具有快速充放电能力和高功率密度的介电电容器被认为是最具有应用潜力的能量存储设备，可广泛应用于脉冲电源，混合动力电动汽车和脉冲动力武器等领域。因此，研究具有高储能密度W_rec、储能效率η和良好热稳定性的新型介电电容器储能陶瓷材料具有重要意义。目前，介电电容器陶瓷根据其内部结构可分为四类：线性介电，铁电，反铁电和弛豫铁电。其中具有细长电滞(P-E)回线和平坦型介电常数曲线的弛豫电介质材料可以在较宽的温度范围具有较高的储能效率η。高的储能效率η意味着脉冲电介质储能器在放电过程中以热能形式损耗的能量更少，这将大幅提高脉冲电介质储能器的储能性能的稳定性并且大幅提高电容器的使用寿命。因此，弛豫电介质材料在介电电容器的应用中极具应用前景。

由于传统的铅基弛豫电介质材料对环境不友好，越来越多的研究集中在研制新的无铅弛豫电介质材料。迄今为止，已经开发了一系列具有应用潜力的无铅弛豫铁电储能材料，主要有BaTiO₃基、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基、K_0.5Na_0.5NbO₃基和BiFeO₃基陶瓷。尽管这些材料的某项单一性能(W_rec、η或温度稳定性)可达到应用要求，但是其综合储能性能(W_rec、η和温度稳定性)不能同时很好适应实际应用需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料及其制备方法和应用，其目的在于全面提高弛豫铁电的综合储能性能及实际可用性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料，其化学组成为(1-x)(0.97BaTiO₃-0.03NaNbO₃)-xBi(Zn_0.5Zr_0.5)O₃/AlN；其中，0.0≤x≤0.7，AlN占陶瓷材料(1-x)(0.97BaTiO₃-0.03NaNbO₃)-xBi(Zn_0.5Zr_0.5)O₃的质量百分数小于等于10％，且所述AlN为纳米级颗粒，分布在所述陶瓷材料内部晶粒之间的空隙。

进一步，x＝0.2。

本发明还提供一种如上所述的无铅脉冲电介质储能复合陶瓷材料的制备方法，包括：