CN102176373B - 一种大容量蓄能电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大容量蓄能电容器，由第一介电薄膜和第二介电薄膜并联而成，所述两个介电薄膜的上表面和下表面分别设有电极层，所述电极层的外表面设有基层；所述第一介电薄膜由介电常数为3的有机材料与Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3复合制备而成，所述第二介电薄膜由介电常数为3的有机材料与Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3复合制备而成。本发明通过提高电容器介质层的介电常数，提高了电容器的容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的储能器件，具体涉及一种大容量可用于电力存储的电容器，可广泛应用于电力、能源和民用等多个领域。
背景技术
电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益增加。可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。
蓄能电容是近几年得到人们关注的一种新型电力储能器件。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力，单体的容量目前已经做到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。自1957年美国人Becker发表第一篇关于蓄能电容的专利以来，蓄能电容的应用范围越来越广：在直流电气化铁路供电、UPS等应用方向进行研究，目前已开发出了50kVA和80kVA的实验样机；利用蓄能电容器配合蓄电池作为辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率，并出现了蓄能电容混合动力汽车。随着蓄能电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部分取代传统蓄电池。
为了提高电容器的容量通常采用的方法主要有：(1)增加电容器电极的有效面积；(2)减小电极之间的距离；(3)提高介质的相对介电常数(e)等方法。目前已具有实际应用价值的蓄能电容器的结构主要以薄膜圈绕的方法，其主要能点具有体积小容量大，为了进一步提高薄膜电容的容量可以提高介质层的介电常数。目前提高介质层的介电常数的主要方法是用有机材料作为成形材料，在其中加入钙钛矿结构的铁电材料以提高介质层的介电常数。但由于钙钛矿的铁电材料在铁电-顺电相变温度附近其介电常数为最大值，为了满足电容器在一个较宽的温度范围内具有较好的热稳定性，通常采用掺杂的方法来调整材料的相变温度和展宽样品的铁电-顺电相变峰的峰宽。但是过量掺杂特别是采用展宽材料往往会引起样品的介电损耗的增加，这样对蓄能电容器的正常使用会造成严重影响，主要表现为：(1)蓄能时间降低(电能储存的时间短)；(2)在充放电过程中能量耗损增加，并可造成电容器温度升高。另外，由于蓄能电容器的工作温度范围较宽为了满足各种环境下的使用，所以电容器应在-55 oC ~ 80 oC温度范围内有较好的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供了一种大容量蓄能电容器，通过提高电容器介质层的介电常数，解决了提高电容器的容量的问题。
本发明采用的技术方案是：一种大容量蓄能电容器，由第一介电薄膜和第二介电薄膜并联而成，所述两个介电薄膜的上表面和下表面分别设有电极层，所述电极层的外表面设有基层；
所述第一介电薄膜由介电常数为3的有机材料与Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3 (BCZT-1)复合制备而成，Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3由纯碳酸钡(BaCO3)、碳酸钙(CaCO3)、氧化锆(Zr2O3)和光谱纯氧化钛(TiO2)为原料制备而成，以上氧化物原料的摩尔比(mol)分别为：BaCO3: CaCO3：Zr2O: TiO2 = 0.9:0.1：0.03:0.94；
所述第二介电薄膜由介电常数为3的有机材料与Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3 (BCZT-2)复合制备而成，Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3由碳酸钡(BaCO3)、碳酸钙(CaCO3)、氧化锆(Zr2O3)和光谱纯氧化钛(TiO2)为原料制备而成，以上氧化物原料的摩尔比(mol)分别为：BaCO3: CaCO3：Zr2O: TiO2 = 0.9:0.1:0.105:0.79。
作为优选，所述有机材料为聚丙烯或聚丙胺。
作为优选，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3与第一介电薄膜的重量百分比为30%~ 70%，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3与第二介电薄膜的重量百分比为30%~ 70%。
作为优选，所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为0.5:1~1.5:1，最好为1:1。
本发明采用有机材料与ABO3钙钛矿结构Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3 (BCZT-1)和Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3(BCZT-2)的铁电材料复合制备高介电常数的介电材料，结合现行的薄膜电容器制造工艺，采用组合的方法制备-55 oC ~ 80 oC温度范围内具有较好热稳定性的可用于电力蓄能的大容量电容器电容器。
本发明采用传统的固相烧结工艺，分析纯碳酸钡(BaCO3)、碳酸钙(CaCO3)、氧化锆(Zr2O3)和光谱纯氧化钛(TiO2)为原料，按化学配比称取原料，以无水乙醇为介质进行球磨，经过24小时球磨混合后烘干，装入氧化铝坩埚内，在空气中760℃~820℃的温度下，进行8 小时预合成；经球磨后，再装入氧化铝坩埚内经过1020~1200℃合成，制备陶瓷BCZT-1和BCZT-2多晶样品。将BCZT-1和BCZT-2多晶样品进行粉碎、球磨和超声分散制成单晶粒陶瓷粉，再分别用BCZT-1和BCZT-2与有机介电材料进行复合制备成介电薄膜，用并联的方法制备电容器。
本发明工艺简单，采用现行的固相烧结工艺和市场购得的氧化物（上海国药集团）为原料，通过固相烧结工艺制备了层状结构的陶瓷样品。
本发明的有益效果：(1)采用常用原料；(2)与现行的固相工艺相兼容；(3) 材料在-55 oC ~ 80 oC具有良好热稳定性，波动小于0.7 %；(4)介电常数大于38，比现行的薄膜电容介质层介电常数高出10多倍，可有较减小电容器的体积，增大电容器容量； (5)工艺简单、稳定性好；(6)所有原料均无毒，更具有环境协调性；(7)采用分散技术利于陶瓷粉末与有机材料的复合。
附图说明
图1为本发明实施例中样品变温介电性能测量结果；
图2为本发明实施例3以并联方法组合的介电材料的变温介电结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
实施例1
样品原料的准备：选取纯碳酸钡(BaCO3)、碳酸钙(CaCO3)、氧化锆(Zr2O3)和光谱纯氧化钛(TiO2)为原料；原料均采用国药集团化学试剂公司产品，原料在称取之前先在烘箱中110℃温度下烘烤8小时。
按化学配比氧化物原料的摩尔比(mol)分别为：BaCO3: CaCO3：Zr2O: TiO2 = 0.9:0.1:0.03:0.94(BCZT-1)和0.9:0.1:0.105:0.79(BCZT-2)，将称好碳酸钡(BaCo3)、碳酸钙(CaCo3)、氧化锆(Zr2O3)和氧化钛(TiO2)以无水乙醇为介质进行球磨，经过24小时球磨混合后烘干，装入氧化铝坩埚内，轻轻压紧，置于空气中，在800 ℃条件下预合成8小时，预合成后都进行球磨和烘干处理，球磨时间为24 小时，经球磨后，再装入氧化铝坩埚内经过1020~1200℃合成，制备陶瓷BCZT-1和BCZT-2多晶样品。
用球磨和分散的方法得到单晶粒的陶瓷粉，与介电常数为3左右的有机材料胶合，用流涎法制备30mm的介质薄膜，再用并联的方法制成电容器。
所述有机材料为聚丙烯，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3与第一介电薄膜的重量百分比为30%，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3与第二介电薄膜的重量百分比为30%，所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为0.5:1。
实施例2
本实施例技术方案与实施例1基本相同，区别在于：
所述有机材料为聚丙烯，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3与第一介电薄膜的重量百分比为70%，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3与第二介电薄膜的重量百分比为70%，所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为1.5:1。
实施例3
本实施例技术方案与实施例1基本相同，区别在于：
所述有机材料为聚丙胺，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3与第一介电薄膜的重量百分比为65%，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3与第二介电薄膜的重量百分比为64%，所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为1:1。
从图1中可见：BCZT-1 和BCZT-2样品的变温介电性能、可见通过掺杂的方法有效提高了样品的介电常数和加宽了样品相变峰。
从图2中可见：用65%的BCZT-1和64%的BCZT-2与介电常数为3的有机材料胶合，以并联方式组合得到样品在 -55℃ ~ 80 ℃温度范围内介电常数变化曲线。
Claims (5)
1.一种大容量蓄能电容器，其特征在于：该电容器由第一介电薄膜和第二介电薄膜并联而成，所述两个介电薄膜的上表面和下表面分别设有电极层，所述电极层的外表面设有基层；
所述第一介电薄膜由介电常数为3的有机材料，以及Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3复合制备而成，Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3由BaCO3、CaCO3、Zr2O3和TiO2为原料制备而成，以上氧化物原料的摩尔比分别为：BaCO3: CaCO3：Zr2O: TiO2 = 0.9:0.1：0.03:0.94；
所述第二介电薄膜由介电常数为3的有机材料，以及Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3复合制备而成，Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3由BaCO3、CaCO3、Zr2O3和TiO2为原料制备而成，以上氧化物原料的摩尔比分别为：BaCO3: CaCO3：Zr2O: TiO2 = 0.9:0.1:0.105:0.79。
2.根据权利要求1所述的一种大容量蓄能电容器，其特征在于：所述有机材料为聚丙烯或聚丙胺。
3.根据权利要求1所述的一种大容量蓄能电容器，其特征在于：所述Ba0.9Ca0.1Zr0.06Ti0.94O3与第一介电薄膜的重量百分比为30%~ 70%，所述Ba0.9Ca0.1Zr0.21Ti0.79O3与第二介电薄膜的重量百分比为30%~ 70%。
4.根据权利要求1所述的一种大容量蓄能电容器，其特征在于：所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为0.5:1~1.5:1。
5.根据权利要求1所述的一种大容量蓄能电容器，其特征在于：所述第一介电薄膜与第二介电薄膜的重量比为1:1。
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