CN114203443A - 尖晶石型单晶作为铁电体、弛豫铁电体的应用、储能材料和充电储能产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学材料技术领域，公开了尖晶石型单晶作为铁电体、弛豫铁电体的应用、储能材料和充电储能产品。本发明提供尖晶石型单晶AB2O4作为铁电体的应用，AB2O4中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素。尖晶石型单晶AB2O4作为驰豫铁电体的应用，AB2O4中，A为Sr，B为Tb。储能材料，其包括上述尖晶石型单晶AB2O4。充电储能产品，其包括上述尖晶石型单晶AB2O4。本申请中涉及到的这类尖晶石型单晶AB2O4不含有铅，在室温下具有铁电性，个别的同时具有弛豫性，可作为新型无铅弛豫铁电体，其无毒无害，更绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及电化学材料技术领域，具体而言，涉及尖晶石型单晶作为铁电体、弛豫铁电体的应用、储能材料和充电储能产品。
背景技术
随着世界经济的飞速发展和人类对能源需求的与日俱增，不可再生能源的过度开采和环境污染问题日益严重。自2018年起，国家能源局就发布和实施了多项关于大力发展可再生能源，推动绿色低碳发展、加快生态文明建设的规划和政策，特别是近期“碳中和”概念的提出，光伏、风电等一系列新能源逐渐走向实用化。由于这些可再生新能源普遍具有间歇性、随机性和波动性等问题，先进储能设备及技术的深入研究和发展具有重要意义。
目前，常用的储能电容器根据电介质的不同可以分为铁电体，弛豫铁电体，反铁电体，线性电介质等。在众多电介质中，弛豫铁电体既表现出铁电性又变现出弛豫性，由于具有诸多优良的特性，被广泛应用于现代电子，军事武器，医学器械，航空航天等领域。相比于普通的铁电体，弛豫铁电体具有高的介电常数，低的剩余极化，大的压电效应以及非线性效应。除此之外，还具有显著的温度依赖和频率依赖性。
迄今为止，对铁电体包括弛豫铁电材料的研究和应用主要集中在钙钛矿结构的铅基单晶或陶瓷，由于铅的毒性会对环境和人类健康带来极大危害，因此寻找新型无铅铁电材料具有重要的实际意义。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供尖晶石型单晶作为铁电体、弛豫铁电体的应用、储能材料和充电储能产品。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供尖晶石型单晶AB2O4作为铁电体的应用，AB2O4中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素。
在可选的实施方式中，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
第二方面，本发明提供尖晶石型单晶AB2O4作为驰豫铁电体的应用，AB2O4中，A为Sr，B为Tb。
在可选的实施方式中，尖晶石型单晶AB2O4的制备方法包括：
按照尖晶石型单晶AB2O4的化学组成合成AB2O4的多晶粉体；
将AB2O4的多晶粉体压制成坯料；
将坯料在900-1400℃下，煅烧12-48h，然后采用激光浮区法生长单晶。
在可选的实施方式中，激光浮区法生长单晶是在惰性气体气氛下进行，惰性气体气氛中氧气含量小于或等于20％。
在可选的实施方式中，惰性气体为氩气。
在可选的实施方式中，激光浮区法生长单晶时控制压强为0～10MPa。
在可选的实施方式中，将AB2O4的多晶粉体压制成坯料的方式为：采用等静压压制。
在可选的实施方式中，将AB2O4的多晶粉体压制成坯料的方式为：将AB2O4的多晶粉体装入气球中采用等静压的方式压制成型。
第三方面，本发明提供一种储能材料，其包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素；
在可选的实施方式中，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
第四方面，本发明提供一种充电储能产品，其包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素；
在可选的实施方式中，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
本发明具有以下有益效果：
本申请中涉及到的尖晶石型单晶，经研究发现在室温下具有铁电性，个别的同时具有弛豫性，可以作为弛豫铁电体，而这些尖晶石型单晶不含铅，其无毒无害、绿色环保，可以应用于储能材料或充电储能产品中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为实施例1提供的尖晶石型单晶在0.1kHz、0.2kHz、0.5kHz、1kHz下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化曲线；
图2为实施例1提供的尖晶石型单晶在室温下电场沿c轴电滞回线的测试结果；
图3为实施例1提供的尖晶石型单晶在不同温度下(1.8K,260K,280K,300K)电场沿a轴电滞回线的测试结果；
图4为实施例1提供的尖晶石型单晶在不同温度下(1.8K,260K,280K,300K)电场沿b轴电滞回线的测试结果；
图5为实施例2提供的尖晶石型单晶在1kHz、10kHz、100kHz下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化曲线；
图6为实施例3提供的尖晶石型单晶在1kHz、10kHz、100kHz下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的尖晶石型单晶作为弛豫铁电体的应用、储能材料和充电储能产品进行具体描述。
尖晶石型单晶AB2O4作为驰豫铁电体的应用，AB2O4中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素。
发明人发现，上述的尖晶石型单晶在室温下表现出具有铁电性，是一种新型的铁电体，此类新型的铁电体不含有铅，更绿色、安全、环保，可作为新一代的优异的储能和快充性材料。
尖晶石型单晶AB2O4作为驰豫铁电体的应用，AB2O4中，A为Sr，B为Tb。
发明人发现，上述的尖晶石型单晶中SrTb2O4除了具有铁电性以外还具有弛豫性。是一种新型的驰豫铁电体，此种新型的驰豫铁电体不含有铅，更绿色、安全、环保，可作为新一代的优异的储能和快充性材料，并且在微定位器、致动器及机敏结构等领域也有着广阔的应用前景。
优选地，B元素为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
上述尖晶石型单晶的制备方法，包括：
S1、按照尖晶石型单晶AB2O4的化学组成合成AB2O4的多晶粉体。
S2、将AB2O4的多晶粉体压制成坯料。
具体地，将AB2O4的多晶粉体装入气球中，采用等静压的方式压制成固定实体形状的坯料。
S3、将坯料在900-1400℃下，煅烧12-48h，然后在惰性气氛下，压强控制在0-10MPa，采用激光浮区法生长单晶。激光浮区法适用于生长高熔点、高质量的大块单晶。
优选地，惰性气体为氩气。惰性气氛中可以含有氧气，氧气含量小于或等于20％。
本申请实施例提供了尖晶石型单晶AB2O4作为弛豫铁电体在储能材料中的应用。
本申请实施例提供的储能材料，包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr或Ba，B为过渡金属元素或稀土元素。
本申请实施例提供的快充产品，包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr或Ba，B为过渡金属元素或稀土元素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
按照尖晶石型单晶SrTb2O4的化学组成合成SrTb2O4的多晶粉体。
将SrTb2O4的多晶粉体装入气球中，采用等静压的方式压制成固定实体形状的坯料。
将坯料在900℃下，煅烧48h，然后在氩气和氧气混合气氛下，压强控制在0-10MPa内，采用激光浮区法生长单晶。
实施例2
按照尖晶石型单晶SrHo2O4的化学组成合成SrHo2O4的多晶粉体。
将SrHo2O4的多晶粉体装入气球中，采用等静压的方式压制成固定实体形状的坯料。
将坯料在1400℃下，煅烧12h，然后在氩气和氧气混合气氛下，压强控制在0-10MPa内，采用激光浮区法生长单晶。
实施例3
按照尖晶石型单晶SrGd2O4的化学组成合成SrGd2O4的多晶粉体。
将SrGd2O4的多晶粉体装入气球中，采用等静压的方式压制成固定实体形状的坯料。
将坯料在1200℃下，煅烧36h，然后在氩气和氧气混合气氛下，压强控制在0-10MPa内，采用激光浮区法生长单晶。
实验例1
测试实施例1尖晶石型单晶的在不同频率下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化，变化曲线图如图1所示。
通过图1可看出，介电常数具有宽的极值范围并且对应一个相对宽的温度位置，有频率依赖关系，这不同于表现出尖锐居里温度点的传统铁电体。介电温谱及损耗随频率的变化具有明显的色散特性。在较宽的温度范围内，表现出介电弛豫的特性。除此之外，单晶体的介电测试还表现出明显的各向异性，在温度到达400K时，介电常数随温度变化继续保持上升的状态，即温度在400K以下时均表现出驰豫铁电性。而巨大的介电常数也是弛豫铁电体的特性之一。
测试实施例1尖晶石型单晶在不同温度下电滞回线，测试结果如图2-4所示。
通过图2-4可看出，温度的升高，极化强度显著升高，表现出优异的热释电性能，使其在红外探测领域也具有一定的研究性和潜在的应用性。除此之外，电滞回线具有强烈的各向异性，且在高温下变得“细瘦”。
综合上述两个实验可知，本申请实施例提供的尖晶石型单晶具有铁电性和弛豫性，属于新型的无铅驰豫铁电体，可应用于储能材料或快充产品中。
实施例2
测试实施例2尖晶石型单晶在不同频率下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化，变化曲线图如图5所示。
通过图5可以看出，介电常数随温度变化在室温下表现出明显的铁电转变峰，表明本申请实施例提供的尖晶石型单晶具有铁电性，属于新型的无铅铁电体，可应用于储能材料或快充产品中。
实施例3
测试实施例3尖晶石型单晶在不同频率下的介电常数ε与介电损耗tanδ随温度变化，变化曲线图如图6所示。
通过图6可以看出，介电常数随温度变化在室温下表现出明显的铁电转变峰，表明本申请实施例提供的尖晶石型单晶具有铁电性，属于新型的无铅铁电体，可应用于储能材料或快充产品中。
综上，本申请中涉及到的尖晶石型单晶在室温下具有铁电性，个别的同时具有弛豫性，可以作为弛豫铁电体，这种铁电体不含铅，其无毒无害、绿色环保。上述尖晶石型单晶可以作为铁电体包括驰豫铁电体应用于储能材料或充电储能产品中。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.尖晶石型单晶AB2O4作为铁电体的应用，AB2O4中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
3.尖晶石型单晶AB2O4作为驰豫铁电体的应用，AB2O4中，A为Sr，B为Tb。
4.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，所述尖晶石型单晶AB2O4的制备方法包括：
按照尖晶石型单晶AB2O4的化学组成合成AB2O4的多晶粉体；
将所述AB2O4的多晶粉体压制成坯料；
将所述坯料在900-1400℃下，煅烧12-48h，然后采用激光浮区法生长单晶。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，在惰性气体气氛的环境下采用激光浮区法生长单晶，所述惰性气体气氛中氧气含量小于或等于20％；
优选地，所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，激光浮区法生长单晶时控制压强为0～10MPa。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将所述AB2O4的多晶粉体压制成坯料的方式为：采用等静压压制。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将所述AB2O4的多晶粉体压制成坯料的方式为：将所述AB2O4的多晶粉体装入气球中采用等静压的方式压制成型。
9.一种储能材料，其特征在于，包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素；
优选地，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
10.一种充电储能产品，其特征在于，包括尖晶石型单晶AB2O4，其中，A为Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，B为过渡金属元素或稀土元素；
优选地，B为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。
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