[发明专利]一种高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高储能特性的钛酸铋钠‑锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用，该电介质薄膜的化学组成为(1‑x)Bisubgt;0.5/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;TiOsubgt;3/subgt;‑xBa(Zrsubgt;0.2/subgt;Tisubgt;0.8/subgt;)Osubgt;3/subgt;，其中x＝0.3‑0.9；其制备方法为化学溶液法，首先按照化学计量比配置前驱体溶液，将溶液滴至Pt(111)/Ti/SiOsubgt;2/subgt;/Si基片上进行旋涂后，在快速退火炉中进行高温退火结晶，重复上述旋涂‑退火工艺，直至膜厚达到300‑400nm，并在薄膜上使用溅射工艺制备金属顶电极，制得薄膜电容器。与现有技术相比，本发明通过溶液法实现了钛酸铋钠‑锆钛酸钡电介质薄膜的制备，制备的薄膜电容器具有优异的储能性能，其储能密度为82J/cmsupgt;‑3/supgt;，储能效率为81％，同时具有优异的温度稳定性、抗疲劳特性。

技术领域

本发明涉及电子功能材料和器件技术领域，具体涉及一种高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

多样化和规模化储能技术在电力系统中的广泛应用将成为未来发展的一个必然趋势。相比于其他类型的储能设备(电化学电池、超级电容器以及锂离子电池等)而言，电介质电容器具有微秒甚至纳秒级充放电速度、高功率密度、工作温度范围宽以及安全性好等优点，除了在传统脉冲能量领域(雷达，电磁脉冲，激光，反应堆等)的应用外，在电力电子学领域也具有众多应用(例如电动汽车，火车，飞机，军工近引擎电子系统等)，用来减少大气碳排量和延缓全球变暖现象，具有良好发展前景和广阔应用前景。

根据材料的状态，电介质材料大体可分为三类：即陶瓷、聚合物、薄膜。与块体材料相比，薄膜电容器的耐压强度高；与聚合物材料相比，薄膜电容器的极化更高，温度稳定性更好，因此其综合储能特性最好。电介质材料本身的能量存储密度较低，无法实现高续航能力，因此对其研究主要集中在提高其储能密度及可靠性的优化方面。如何进一步提高薄膜电容器的储能性能是一个亟待解决的关键问题，也是目前人们研究的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜，该电介质薄膜的化学组成为(1-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-xBa(Zr_0.2Ti_0.8)O₃，其中x＝0.3-0.9。

优选地，所述的x为0.7。

优选地，所述的电介质薄膜的厚度为300-400nm。

一种上述高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照组成的化学计量比和预设浓度称取硝酸铋，乙酸钠，乙酸钡，溶于乙二醇甲醚、乙酸和氨水的混合液中，并额外加入一定摩尔浓度的硝酸铋和乙酸锰，在加热下搅拌得到溶液A；

(2)按照组成的化学计量比和预设浓度量取钛酸四丁酯，正丁醇锆，溶于乙二醇甲醚、乙酸和乙酰丙酮的混合液中，搅拌得到溶液B；

(3)将溶液A和溶液B混合、搅拌、陈化后得到(1-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-xBa(Zr_0.2Ti_0.8)O₃前驱体溶液；

(4)用旋涂法将步骤(3)中制得的前驱体溶液旋涂在清洗并干燥后的基片上，然后在快速退火炉中进行退火结晶，重复旋涂-退火步骤多次后得到所述的高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜。