CN110759729B - 一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法，化学式为：(1‑x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3‑xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中，0.05≤x≤0.20。包括以下步骤：(1)将SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5混合均匀，得到原料粉体，压块、预烧、粉碎过筛，得到预烧粉体；(2)将预烧粉体经球磨获得原料粉体；(3)将原料粉体压片成型，再烧结成瓷，得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。这种陶瓷材料具有高储能性能和优异的充放电性能，是一种很有前途的高性能电介质候选材料，并且具有环境友好、实用性高等特性。

Description

一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于电介质储能陶瓷材料技术领域，具体是一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
目前，陶瓷电容器已广泛应用于电视、移动通信、测量仪器等电子设备中。然而，随着电子工业的快速发展和不可再生资源的浪费，现有的储能介质电容器由于介质材料的性能较差，已经不能满足社会发展日益增长的需求，这激发了人们对高性能陶瓷介质材料的探索兴趣。与铁电材料和线性介电材料相比，反铁电材料具有更高的能量密度，因为它们具有双电滞回线。但由于反铁电相向铁电相转变时导致能量损失较大(储能效率较低)，这就限制了反铁电陶瓷电介质的应用，从而促进了对高储能性能无铅陶瓷的进一步探索。
Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)基陶瓷由于其环境友好型、较大的饱和极化强度、较强的铁电性和介电性能，被认为是高性能电介质电容器的重要候选材料。与具有超低能量损耗和高击穿强度的线性介质SrTiO3(ST)形成固溶体是提高NBT铁电体储能密度和效率的常规方法，因为固溶体可以进一步破坏长程铁电序，提高弛豫度。因为Sr2+的引入能打破铁电体的长程秩序，在基体中产生极性纳米微区，同时具有维持大的饱和极化强度和抑制剩余极化强度的能力。因此，(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3引起了研究者的极大兴趣。
然而，(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3陶瓷仍然存在由于其介电击穿场较低和剩余极化强度较大而引起储能密度较低、介电损耗较大的问题，这严重阻碍它的实际应用。此外，电介质材料的脉冲充放电特性(如电流密度、功率密度和放电速率)对于实际应用更有意义，但往往被研究者们忽略。具有双重特性(高储能性能和超快放电速率)的电介质材料才具有真正的实用和商用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料具有高的介电击穿强度、储能密度、储能效率和超快的放电速率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/ 3Nb1/3)O3，其中，0.05≤x≤0.20。
优选的，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz频率的条件下，储能密度为2.33～3.45J/cm3，储能效率为82.50％～88.50％；x为0.20时，在室温和120kV/cm电场强度的条件下电流密度为641.19A/cm2，功率密度为38.47MW/cm3，放电时间为52.8ns。
所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5混合均匀，得到原料粉体，压块、预烧得到块状固体，再将块状固体粉碎过筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)获得的预烧粉体经球磨获得原料粉体；
(3)将步骤(2)得到的原料粉体压片成型，再烧结成瓷，得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
优选的，步骤(1)中，混合均匀具体是；以无水乙醇为介质进行球磨，球磨时间为22～24小时，球磨后干燥、过筛。
优选的，步骤(1)中，预烧是在800～900℃预烧3～5小时。
优选的，步骤(2)中，球磨采用的介质为无水乙醇，球磨时间为22～24小时，球磨后进行干燥。
优选的，步骤(3)中，压片成型具体是采用冷等静压成型的方法。
优选的，冷等静压成型是在190～210MPa的压强下保压3～5分钟成型。
优选的，步骤(3)中，烧结成瓷具体是在1100～1200℃下保温2～5小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明材料(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，Bi(Mg2/3Nb1/3)O3的引入降低了基体材料的平均晶粒尺寸，这有利于获得致密的微观结构，从而提高介电击穿强度，而Bi3+的6s2孤对电子构型的引入抑制了剩余极化强度。选择(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3为基体，通过引入Bi(Mg2/3Nb1/3)O3降低晶粒尺寸来提高介电击穿场强且抑制了剩余极化强度，从而获得具有增强的储能性能的陶瓷电介质材料。在固溶量大于0.15mol时，陶瓷的剩余极化强度开始变得增大，导致储能效率的降低，因此，本发明通过引入Bi(Mg2/3Nb1/3)O3并控制Bi(Mg2/3Nb1/3)O3的固溶量，克服了大多数陶瓷介质材料介电击穿场强和储能密度较低、介电损耗较大的缺点。此外，本发明材料致密度高，储能密度和储能效率的温度稳定性和频率稳定性优异，且放电速率超快，可满足不同应用的需求，并且环境友好，有望作新一代环境友好的储能陶瓷介质材料，为开发一系列具有显著增强储能性能的(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3基无铅陶瓷奠定了基础。
进一步的，本发明材料在室温下(25℃)得到了细长、回形面积小的电滞回线，获得了优异的储能密度和效率，储能密度达到2.33～3.45J/cm3，储能效率达到82.50％～88.50％；并且本发明中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能密度和效率的温度稳定性和频率稳定性良好，在10Hz、30～150℃下，其在200kV/cm电场强度下的储能密度保持在2.34～2.47J/cm3之间，储能效率保持在83.86％～97.47％之间；在室温、1～100Hz下，其在200kV/cm电场强度下的储能密度保持在2.33～2.52J/cm3之间，储能效率保持在79.68％～88.21％之间，此外，x为0.2时，具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的电流密度可达641.19A/cm2，功率密度可达38.47MW/cm3,放电时间更是短至52.8ns。本发明中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能性能分别在30～150℃温度范围内和1～100Hz频率范围内具有良好的稳定性，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域；且具有优异超高的电流密度和功率密度以及超快的放电速率，有望应用在先进储能领域。
本发明将原料粉料混合均匀后进行干燥过筛，然后压制成型，后烧结，即可得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。本发明制备工艺简单易实现，所用原料中不含铅等污染性元素，对环境无污染，且所用原料中不含稀土元素和贵金属元素，原料价格低廉，适合工业化批量生产。
附图说明
图1：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；
图2：实施例2所制备的无具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；
图3：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；
图4：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；
图5：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的SEM图；
图6：实施例2所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的SEM图；
图7：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的SEM图；
图8：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的SEM图；
图9：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；
图10：实施例2所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；
图11：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；
图12：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；
图13：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于200kV/cm电场强度下，在30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃的电滞回线图(测试频率为10Hz)；
图14：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于200kV/cm电场强度下，在1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz和100Hz的电滞回线图(测试温度为室温)；
图15：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的欠阻尼放电曲线图；
图16：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的过阻尼放电曲线图；
图17：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的放电能量密度随时间的变化曲线图；
图18：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱；
图19：实施例2所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱；
图20：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱；
图21：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中x表示摩尔分数，且0.05≤x≤0.20。
该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz的频率条件下，储能密度在2.33～3.45J/cm3之间，储能效率在82.50％～98.50％之间；在10Hz、30～150℃下，实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在200kV/cm电场强度下的储能密度保持在2.34～2.47J/cm3之间，储能效率保持在83.86％～97.47％之间；在室温、1～100Hz下，实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在200kV/cm电场强度下储能密度保持在2.33～2.52J/cm3之间，储能效率保持在79.68％～88.21％之间。此外，实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的电流密度可达641.19.37A/cm2，功率密度可达38.47MW/cm3，放电时间短至52.8ns。
本发明的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学式(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3将分析纯的SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5配料，其中x表示摩尔分数，且0.05≤x≤0.20，以无水乙醇为介质，通过球磨22～24小时混合均匀，然后于100℃下烘干、过120目筛、压块，再经800～900℃预烧3～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨22～24小时，然后于100℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为190～210MPa，保压时间为3～5分钟；加压压制成圆片后在1100～1200℃保温2～5小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料；
(4)将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行X射线衍射测试；
(5)将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行SEM表面微观形貌测试；
(6)将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后分别在不同温度和频率下测试其铁电性能，并进行储能特性计算，储能密度(W1)、能量损耗密度(W2)和储能效率(η)的计算公式为：
Figure BDA0002285270690000071
Figure BDA0002285270690000072
Figure BDA0002285270690000073
其中W1和W2分别表示储能密度和能量损耗密度，Pmax表示最大极化强度，Pr表示剩余极化强度，E表示电场强度，P表示极化强度，η表示储能效率。
(7)将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.3mm的薄片，镀银电极，然后在室温和120kV/cm电场强度下测试其充放电性能，并进行放电特性计算，电流密度(CD)、功率密度(PD)和放电能量密度(Wd)的计算公式为：
CD＝Imax/S (4)
PD＝ImaxE/2S (5)
Wd＝R∫I(t)2dt/V (6)
其中CD和PD分别表示电流密度和功率密度，Imax表示最大电流，Wd表示放电能量密度，E表示电场强度，S表示电极面积，R表示负载电阻，V表示样品体积。
步骤(1)、步骤(2)中球磨时间均为20～25小时。
通过以下给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但其不是对本发明的限定。
实施例1：
本例陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.05。
上述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学式(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3将分析纯的SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.05，以无水乙醇为介质，通过球磨22小时混合均匀，然后于100℃下烘干、过120目筛、压块，再经900℃预烧3小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨22小时，然后于100℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为190MPa，保压时间为3分钟；加压压制成圆片后在1200℃保温2小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行X射线衍射测试，如图1，由XRD图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高；图5所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的SEM图，可以看出陶瓷材料的结构致密，没有明显的气孔等缺陷，表5所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的平均晶粒尺寸，为3.19μm。
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10Hz频率下测试其铁电性能，如图9所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达2.33J/cm3，储能密度可达82.55％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。该储能陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱如图18所示，在30～400℃的温度范围内，介电常数呈现两个介电异常峰，并且相应的介电损耗在4个不同频率下都小于0.11。
实施例2：
本例陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.10。
上述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学式(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3将分析纯的SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.10，以无水乙醇为介质，通过球磨23小时混合均匀，然后于100℃下烘干、过120目筛、压块，再经850℃预烧4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨23小时，然后于100℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为200MPa，保压时间为3分钟；加压压制成圆片后在1190℃保温4小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行X射线衍射测试，如图2，由XRD图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高；图6所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的SEM图，可以看出陶瓷材料的结构致密，没有明显的气孔等缺陷，表5所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的平均晶粒尺寸，为1.99μm。
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10Hz频率下测试其铁电性能，如图10所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达3.27J/cm3，储能密度可达88.50％。本实施例无铅储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。该储能陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱如图19所示，在30～400℃的温度范围内，介电常数呈现两个介电异常峰，并且相应的介电损耗在4个不同频率下均小于0.09。
实施例3：
本例陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-x Bi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.15。
上述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学式(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3将分析纯的SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.15，以无水乙醇为介质，通过球磨24小时混合均匀，然后于100℃下烘干、过120目筛、压块，再经850℃预烧4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨24小时，然后于100℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为200MPa，保压时间为3分钟；加压压制成圆片后在1150℃保温4小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行X射线衍射测试，如图3，由XRD图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高；图7所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的SEM图，可以看出陶瓷材料的结构致密，没有明显的气孔等缺陷，表5所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的平均晶粒尺寸，为1.86μm。
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温于10Hz频率下测试其铁电性能，如图11所示为本实施例陶瓷材料在室温和10Hz频率条件下测得的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达3.45J/cm3，储能密度可达88.01％。如图13所示为本实施例储能陶瓷材料于10Hz频率和200kV/cm电场强度条件下分别在30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃下的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷于10Hz频率下在温度范围为30～150℃时，储能密度保持在2.34～2.47J/cm3之间，储能效率保持在83.86％～87.47％之间，其变化率都小于6％。如图14所示为本实施例储能陶瓷材料于室温和200kV/cm电场强度条件下分别在1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、和100Hz频率下的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷材料于室温和200kV/cm电场强度条件下的储能密度保持在2.33～2.52J/cm3之间，储能效率保持在79.68％～88.21％之间，其变化率都小于10％，这表明本实施例储能陶瓷材料的储能性能较高，并表现出较好的温度稳定性和频率稳定性。本实施例无铅储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。表2为本实施例储能陶瓷材料于10Hz频率和200kV/cm电场强度条件下分别在30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃下的储能特性。表3为本实施例储能陶瓷材料于室温和200kV/cm电场强度条件下分别在1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz和100Hz频率下的的储能特性。该储能陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱如图20所示，在30～400℃的温度范围内，介电常数呈现两个介电异常峰，并且相应的介电损耗于300℃以内在5个不同频率下均小于0.08。
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.3mm的薄片，镀银电极，然后在室温和120kV/cm电场强度下测试其充放电性能，如图15所示为本实施例陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下测得的欠阻尼放电曲线，由欠阻尼放电进行充放电特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温和120kV/cm电场强度下的电流密度可达641.19A/cm2，功率密度可达38.47MW/cm3。如图16所示为本实施例陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下测得的过阻尼放电曲线，如图17所示为由本实施例陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下测得的过阻尼放电曲线计算得出的放电能量密度随时间的变化曲线图，进行充放电特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温和120kV/cm电场强度下的放电能量密度可达0.73J/cm3，放电时间短至52.8ns。表4为实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温和120kV/cm电场强度下的充放电特性。
实施例4：
本例陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.20。
上述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按化学式(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3将分析纯的SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.20，以无水乙醇为介质，通过球磨24小时混合均匀，然后于100℃下烘干、过120目筛、压块，再经800℃预烧5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨24小时，然后于100℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为210MPa，保压时间为5分钟；加压压制成圆片后在1100℃保温5小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行X射线衍射测试，如图4，由XRD图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高；图8所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的SEM图，可以看出陶瓷材料的结构致密，没有明显的气孔等缺陷，表5所示为本实施例所制得介质陶瓷材料的平均晶粒尺寸为1.38μm。
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温于10Hz频率下测试其铁电性能，如图12所示为本实施例陶瓷材料在室温和10Hz频率条件下测得的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达3.31J/cm3，储能密度可达82.50％。本实施例无铅储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。该储能陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱如图21所示，在30～400℃的温度范围内，介电常数呈现两个介电异常峰，并且相应的介电损耗于300℃以内在4个不同频率下均小于0.08。
表1实施例具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz时的储能特性
Figure BDA0002285270690000141
表2实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于10Hz频率在不同温度下的储能特性
Figure BDA0002285270690000142
表3实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温条件在不同频率下的储能特性
Figure BDA0002285270690000151
表4实施例3具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温和120kV/cm电场强度下的充放电特性
Figure BDA0002285270690000152
表5实施例无铅高储能和充放电性能陶瓷材料烧结后的平均晶粒尺寸
Figure BDA0002285270690000153
由表1可知，随着Bi(Mg2/3Nb1/3)O3固溶量的不断增加，本发明储能陶瓷材料的剩余极化强度先减小后增大，且击穿场强表现出不断的增大的趋势，在一定的配比下可以获得较高的储能密度和储能效率，储能密度和效率在室温下分别可达3.45J/cm3和88.01％；由表2可知，本发明中实施例3储能陶瓷材料于频率为10Hz和电场强度为200kV/cm的条件下，在30～150℃温度下的储能密度可保持在2.34～2.47J/cm3，并且储能效率随着温度的升高并没有发生较大的降低，表现出较好的温度稳定性；由表3可知，在室温和电场强度为200kV/cm的条件下，1～100Hz频率下的储能密度可保持在2.33～2.52J/cm3，储能效率可保持在79.68％～88.21％，储能密度和储能效率均没有较大波动，表现出较好的频率稳定性。由表4可知，实施例3无铅高储能和充放电性能陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的电流密度可达641.19A/cm2，功率密度可达38.47MW/cm3，放电时间短至52.8ns。由表5可知，随着Bi(Mg2/3Nb1/3)O3固溶量的不断增加，本发明储能陶瓷材料的平均晶粒尺寸不断减小，这是导致介电击穿场强增大的主要原因。通过以上实施例可以发现，控制Bi(Mg2/3Nb1/3)O3的固溶量，有效的克服了大多数陶瓷介质材料介电击穿场强和储能密度较低、介电损耗较大的缺点，所制备的储能陶瓷介质材料表现出优异的储能性能，并且具有良好的温度和频率稳定性，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域，且具有较大的功率密度和超快的放电速率，有望应用于先进的储能系统。
通过以上给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但其不是对本发明的限定。

Claims (4)

1.具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/ 3Nb1/3)O3，其中，0.05≤x≤0.20；
所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz频率的条件下，储能密度为2.33～3.45J/cm3，储能效率为82.50％～88.50％；x为0.20时，在室温和120kV/cm电场强度的条件下电流密度为641.19A/cm2，功率密度为38.47MW/cm3，放电时间为52.8ns；
包括以下步骤：
(1)将SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5混合均匀，得到原料粉体，压块、预烧得到块状固体，再将块状固体粉碎过筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)获得的预烧粉体经球磨获得原料粉体；
(3)将步骤(2)得到的原料粉体压片成型，再烧结成瓷，得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料；
步骤(1)中，预烧是在800～900℃预烧3～5小时；
步骤(3)中，压片成型具体是采用冷等静压成型的方法；冷等静压成型是在190～210MPa的压强下保压3～5分钟成型；
步骤(3)中，烧结成瓷具体是在1100～1200℃下保温2～5小时。
2.根据权利要求1所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合均匀具体是：以无水乙醇为介质进行球磨，球磨时间为22～24小时，球磨后干燥、过筛。
3.根据权利要求1所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，球磨采用的介质为无水乙醇，球磨时间为22～24小时，球磨后进行干燥。
4.权利要求1所述的制备方法得到的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。
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