CN112174664A - 一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，组成式为(1‑x)[0.9NaNbO3‑0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]‑x(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3，x为摩尔百分比，0≤x≤0.40，本发明还公开了一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，包括所述的一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，还包括如下步骤：制备铌酸钠基陶瓷粉体；将铌酸钠基陶瓷粉料放入球磨罐中进行预定处理后，产物压成坯体进行预烧；预烧完成后将产物倒入球磨罐中再次进行预定处理，完成后将粉体用模具压成圆片；将圆片在马弗炉中按烧结条件进行烧结即可制备铌酸钠基陶瓷材料，通过引入强铁电体Bi(Mg2/3Ta1/3)O3和(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3与NaNbO3反铁电体形成均匀固溶体，以提高陶瓷材料最大极化强度和击穿场强，从而提升了介电陶瓷材料的储能密度。

Description

一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电介质陶瓷材料的储能领域技术领域，尤其涉及一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
近年来，与燃料电池和锂离子电池相比，用于电能存储的电介质电容器由于其超快的充电/放电速率而具有超高功率密度，因此已被广泛研究。通常，大饱和极化、高击穿强度和低剩余极化对于实现高能量存储密度是至关重要的。目前，存在四种用于能量存储应用的代表性介电材料：线性电介质、铁电体、弛豫铁电体和反铁电体。线性电介质材料通常具有高高击穿强度和小低剩余极化，但是低的大饱和极化限制了它们在高能量存储中的应用。同时，铁电体由于大的低剩余极化，能量存储密度，尽管铁电体的高极化和电介质对于能量存储特性是期望的。具有中等高击穿强度，高大饱和极化，可忽略不计的低剩余极化的基于铅的反铁电体总是实现高能量存储密度。然而，铅是一种有害元素，严重危害人类的健康和环境。因此，弛豫铁电体被认为是最有希望的储能应用候选者。
发明内容
本发明为了提升现有技术中无铅介电陶瓷材料的储能密度和储能效率，提出了一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料。
一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，组成式为：(1-x)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-x(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3，x为摩尔百分比，0≤x≤0.40。
本发明还提出了一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，包括所述的一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，还包括如下步骤：
以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体；
将铌酸钠基陶瓷粉料放入球磨罐中进行预定处理后，产物压成坯体进行预烧；
预烧完成后将产物倒入球磨罐中再次进行预定处理，完成后将粉体用模具压成圆片；
将圆片在马弗炉中按烧结条件进行烧结即可制备铌酸钠基陶瓷材料。
其中，所述以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体包括如下步骤：
将按化学计量比称量的Na2CO3、Nb2O5进行混合，预烧保温后制得NaNbO3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、MgO、Ta2O5进行混合，预烧保温后制得Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、TiO2进行混合，预烧保温后制得(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3主晶相；
将按化学计量比称量的NaNbO3、Bi(Mg2/3Ta1/3)O3进行混合，预烧保温后制得0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3、(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3进行混合，预烧保温后可制得铌酸钠基陶瓷材料。
其中，所述经预定处理包括如下步骤：
将铌酸钠基陶瓷粉体、氧化锆球与无水乙醇按质量比1：2：1的比例混合制得混合产物；
将混合产物球磨4h，混合磨细后在100～130℃下快速烘干以制得干燥产物；
将制得的干燥产物通过筛网将氧化锆球分离开来，以制得细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体，从而完成预定处理。
其中，所述经预定处理后，产物压成坯体进行预烧包括如下步骤：
将预定处理制得的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成坯体放在氧化铝坩埚内进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为6h，升温速率为5℃/min。
其中，所述将粉体用模具压成圆片包括如下步骤：
在细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体中加入聚乙烯醇进行造粒；
将经造粒后的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成直径为8mm，厚度为1.2mm的圆片，在550℃下排胶4小时，其升温速率为1℃/min。
其中，所述预烧保温的预烧温度为720～850℃，保温时间为4～6h。
其中，所述烧结条件为温度为1100～1300℃，时间为2h。
本发明的有益效果为：通过引入强铁电体Bi(Mg2/3Ta1/3)O3和(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3与NaNbO3反铁电体形成均匀固溶体，以提高陶瓷材料最大极化强度和击穿场强，从而提升了介电陶瓷材料的储能密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法的铌酸钠基陶瓷材料的制备流程结构示意图。
图2是本发明一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法的铌酸钠基陶瓷粉体的制备流程结构示意图。
图3是本发明一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法的铌酸钠基陶瓷粉体的预定处理的步骤流程结构示意图。
图4是本发明一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法的铌酸钠基陶瓷粉体的产物压成坯体进行预烧的步骤流程结构示意图。
图5是本发明一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法的铌酸钠基陶瓷粉体的将粉体用模具压成圆片的步骤流程结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：
一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，组成式为：(1-x)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-x(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3，x为摩尔百分比，0≤x≤0.40。
本发明还提出一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，包括所述的一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，还包括如下步骤：
S101以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体；
S102将铌酸钠基陶瓷粉料放入球磨罐中进行预定处理后，产物压成坯体进行预烧；
S103预烧完成后将产物倒入球磨罐中再次进行预定处理，完成后将粉体用模具压成圆片；
S104将圆片在马弗炉中按烧结条件进行烧结即可制备铌酸钠基陶瓷材料。
进一步的，所述以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体包括如下步骤：
S201将按化学计量比称量的Na2CO3、Nb2O5进行混合，预烧保温后制得NaNbO3主晶相；
S202将按化学计量比称量的Bi2O3、MgO、Ta2O5进行混合，预烧保温后制得Bi(Mg2/ 3Ta1/3)O3主晶相；
S203将按化学计量比称量的Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、TiO2进行混合，预烧保温后制得(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3主晶相；
S204将按化学计量比称量的NaNbO3、Bi(Mg2/3Ta1/3)O3进行混合，预烧保温后制得0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
S205将按化学计量比称量的0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3、(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3进行混合，预烧保温后可制得铌酸钠基陶瓷材料。
进一步的，所述经预定处理包括如下步骤：
S301将铌酸钠基陶瓷粉体、氧化锆球与无水乙醇按质量比1：2：1的比例混合制得混合产物；
S302将混合产物球磨4h，混合磨细后在100～130℃下快速烘干以制得干燥产物；
S303将制得的干燥产物通过筛网将氧化锆球分离开来，以制得细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体，从而完成预定处理。
进一步的，所述经预定处理后，产物压成坯体进行预烧包括如下步骤：
S401将预定处理制得的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成坯体放在氧化铝坩埚内进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为6h，升温速率为5℃/min。
进一步的，所述将粉体用模具压成圆片包括如下步骤：
S501在细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体中加入聚乙烯醇进行造粒；
S502将经造粒后的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成直径为8mm，厚度为1.2mm的圆片，在550℃下排胶4小时，其升温速率为1℃/min。
具体实施例1：
准备纯度≥99％的高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2作为原料，
将按化学计量比称量的Na2CO3、Nb2O5进行混合，预烧保温后制得0.9摩尔百分比的NaNbO3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、MgO、Ta2O5进行混合，预烧保温后制得0.1摩尔百分比的Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、TiO2进行混合，预烧保温后制得0摩尔百分比的(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3主晶相；
将按化学计量比称量的NaNbO3、Bi(Mg2/3Ta1/3)O3进行混合，预烧保温后制得0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3、0摩尔百分比的(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3进行混合，预烧保温后可制得0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3材料粉体，按照粉体、氧化锆球与无水乙醇质量比为1：2：1的比例向粉体中依次加入氧化锆球和无水乙醇，球磨4h，混合磨细后在100～130℃下快速烘干，利用筛网将氧化锆球分离开来，过筛后的粉体放在氧化铝坩埚内进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为6h，升温速率为5℃/min；
预烧后的粉末再次按照粉体、氧化锆球与无水乙醇质量比为1：2：1的比例依次放入到尼龙罐中球磨4小时，之后取出，放入烘箱内在100～130℃下烘干。烘干后的粉体加入6wt％的聚乙烯醇进行造粒，之后将粉体压制成直径为8mm，厚度为1.2mm的小圆柱，在550℃下排胶4小时，其升温速率为1℃/min。最后将排完胶的小圆柱分别在1100～1300℃下烧结2h即得到所需陶瓷材料。
具体实施例2：
根据制备的铌酸钠基陶瓷粉料的组成式为(0.9)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-0.1mol％(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3称量各高纯粉体，其余步骤与具体实施例1相同。
具体实施例3：
根据制备的铌酸钠基陶瓷粉料的组成式为(0.8)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-0.2mol％(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3称量各高纯粉体，其余步骤与具体实施例1相同。
具体实施例4：
根据制备的铌酸钠基陶瓷粉料的组成式为(0.7)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-0.3mol％(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3称量各高纯粉体，其余步骤与具体实施例1相同。
具体实施例5：
根据制备的铌酸钠基陶瓷粉料的组成式为(0.6)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-0.4mol％(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3称量各高纯粉体，其余步骤与具体实施例1相同。
具体实施例1至5制备的铌酸钠基陶瓷粉料的储能性能对比如下表：
Figure BDA0002718620800000061
Figure BDA0002718620800000071
经对比，结果显示在x＝0.4时，该陶瓷具有较高的储能密度(4.91J/cm3)和储能效率(87.7％)，也即可作为优选组成，同时，在25～200℃温度范围内能保持一个相对稳定的储能密度，因此，(1-x)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-xm ol％(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3有望成为一种很有前景的高储能脉冲功率电容器。
本发明通过高绝缘性能MgO和宽带隙Ta2O5的引入极大地提高了NaNbO3的击穿强度和绝缘性，Bi(Mg2/3Ta1/3)O3的引入可以促进NaNbO3陶瓷的烧结，显著降低其气孔率和晶粒尺寸，进而获得高的击穿强度，通过在NaNbO3基体中引入Bi(Mg2/3Ta1/3)O3和(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3，将铁电畴转化为极性纳米微区，利用极性纳米微区在外加电场下的快速响应，显著提高材料的储能密度和储能效率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，其特征在于，组成式为：(1-x)[0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3]-x(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3，x为摩尔百分比，0≤x≤0.40。
2.一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，包括如权利要求1所述的一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，其特征在于，还包括如下步骤：
以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体；
将铌酸钠基陶瓷粉料放入球磨罐中进行预定处理后，产物压成坯体进行预烧；
预烧完成后将产物倒入球磨罐中再次进行预定处理，完成后将粉体用模具压成圆片；
将圆片在马弗炉中按烧结条件进行烧结即可制备铌酸钠基陶瓷材料。
3.如权利要求2所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述以高纯粉体Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3、MgO、Ta2O5、SrCO3和TiO2为原料制备铌酸钠基陶瓷粉体包括如下步骤：
将按化学计量比称量的Na2CO3、Nb2O5进行混合，预烧保温后制得NaNbO3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、MgO、Ta2O5进行混合，预烧保温后制得Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、TiO2进行混合，预烧保温后制得(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3主晶相；
将按化学计量比称量的NaNbO3、Bi(Mg2/3Ta1/3)O3进行混合，预烧保温后制得0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3主晶相；
将按化学计量比称量的0.9NaNbO3-0.1Bi(Mg2/3Ta1/3)O3、(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3进行混合，预烧保温后可制得铌酸钠基陶瓷材料。
4.如权利要求2所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述经预定处理包括如下步骤：
将铌酸钠基陶瓷粉体、氧化锆球与无水乙醇按质量比1：2：1的比例混合制得混合产物；
将混合产物球磨4h，混合磨细后在100～130℃下快速烘干以制得干燥产物；
将制得的干燥产物通过筛网将氧化锆球分离开来，以制得细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体，从而完成预定处理。
5.如权利要求3所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述经预定处理后，产物压成坯体进行预烧包括如下步骤：
将预定处理制得的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成坯体放在氧化铝坩埚内进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为6h，升温速率为5℃/min。
6.如权利要求2所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述将粉体用模具压成圆片包括如下步骤：
在细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体中加入聚乙烯醇进行造粒；
将经造粒后的细粒径的铌酸钠基陶瓷粉体压制成直径为8mm，厚度为1.2mm的圆片，在550℃下排胶4小时，其升温速率为1℃/min。
7.如权利要求3所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述预烧保温的预烧温度为720～850℃，保温时间为4～6h。
如权利要求2所述的一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述烧结条件为温度为1100～1300℃，时间为2h。
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Assignor: GUILIN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000467

Denomination of invention: A high energy storage and high efficiency sodium niobate based ceramic material and its preparation method

Granted publication date: 20220708

License type: Common License

Record date: 20221228