CN114956816B - 一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 - Google Patents
一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114956816B CN114956816B CN202210640955.8A CN202210640955A CN114956816B CN 114956816 B CN114956816 B CN 114956816B CN 202210640955 A CN202210640955 A CN 202210640955A CN 114956816 B CN114956816 B CN 114956816B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy storage
- pyrochlore
- ball milling
- performance
- mixed material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 43
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 95
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 34
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 33
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 28
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 25
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 21
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 11
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 11
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 11
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 7
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 14
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 20
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 17
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 16
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 15
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 10
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
- C04B35/638—Removal thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
- H01G4/002—Details
- H01G4/018—Dielectrics
- H01G4/06—Solid dielectrics
- H01G4/08—Inorganic dielectrics
- H01G4/12—Ceramic dielectrics
- H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
- H01G4/1254—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on niobium or tungsteen, tantalum oxides or niobates, tantalates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
- C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3284—Zinc oxides, zincates, cadmium oxides, cadmiates, mercury oxides, mercurates or oxide forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3298—Bismuth oxides, bismuthates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc bismuthate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6562—Heating rate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6567—Treatment time
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/14—Thermal energy storage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明提供一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用,所述高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学组成通式为:(1‑x)Cd2Nb2O7‑xBi2Ti2O7,其中,0<x≤0.2。发明人发现,具有上述化学组成通式的烧绿石储能陶瓷材料同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能,此外该材料还具有结构稳定的特点,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于介电储能材料领域,具体涉及一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法及应用。
背景技术
静电电容器是通过电介质在外电场中的极化与去极化过程来储存和释放能量的器件。相比于其他常见的储能方式,如电化学电容器、锂电池、燃料电池和飞轮等,静电电容器具有高功率密度(可达兆瓦量级)和响应迅速(可达微秒量级)的优势。但其劣势在于储能性能较低,而材料的储能性能与材料的极化和击穿场强有强关联性,其中介电常数往往反映了材料的极化状态,目前关于提高电介质储能材料的储能性能主要思路是优化材料的介电常数和击穿场强。
现有的烧绿石(A2B2O7)不能同时具有较高的击穿性能和较大的极化,导致其储能性能较差。
因此,有必要对现有的烧绿石储能陶瓷材料进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上改善上述技术问题的至少之一。
为改善上述技术问题,本发明提供一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,所述高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学组成通式为:(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7,其中,0<x≤0.2。发明人发现,具有上述化学组成通式的烧绿石储能陶瓷材料同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能,具有广泛的应用前景。
本发明还提供一种制备前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料的方法,所述方法包括:
(1)按照高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学计量比,称取CdO、Nb2O5、Bi2O3、TiO2,进行球磨,得到混料;
(2)将所述混料进行预烧;
(3)在经过所述预烧后的混料中加入粘结剂,过筛,获得粒料;
(4)对所述粒料进行压片,进行排胶,获得生坯;
(5)将所述生坯进行烧结,得到高性能烧绿石储能陶瓷材料。
由此,由该方法所得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料具有前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料所具有的全部特征和优点,在此不再赘述。总的来说,由该方法所制备得到的烧绿石储能陶瓷材料同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能,具有广泛的应用前景。此外,该方法还具有工艺简单的优点,适合大规模的工业化生产。
根据本发明的实施例,步骤(1)中,所述球磨的时间为12-18小时;所述球磨为湿法球磨,在进行所述球磨之后、进行预烧之前,所述方法还包括对球磨后的物料进行烘干的步骤,烘干后得到混料。
根据本发明的实施例,步骤(2)中,所述预烧的温度为900-1000℃,所述预烧的时间为3-5小时。
根据本发明的实施例,在进行预烧之后、加入粘结剂之前,所述方法还包括:将预烧后的混料冷却;将冷却后的混料进行二次球磨,将二次球磨后的混料进行二次烘干,将二次烘干后的混料进行研磨;所述二次球磨为湿法球磨,所述二次球磨的时间为20-24小时;所述二次烘干的温度为120-140℃。
根据本发明的实施例,步骤(3)中,选用150目筛网进行过筛操作;所述粘结剂为质量浓度为2-8%的聚乙烯醇水溶液;每克预烧后的混料中加入2-3克的所述粘结剂。
根据本发明的实施例,步骤(4)中,所述压片的压力为2-4MPa。
根据本发明的实施例,所述排胶的温度为500-600℃,所述排胶的时间为2-5小时,所述排胶的升温速度为1-2℃/min。
根据本发明的实施例,步骤(5)中,所述方法还包括:加入所述混料作为埋料,随后对所述生坯进行烧结;所述烧结的温度为1150-1250℃,所述烧结的时间为3-4h;所述烧结的升温速度为5-8℃/min。
本发明还提供一种静电电容器,包括前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料或者使用前文所述的方法得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料。由此,该静电电容器具有前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料所具有的全部特征和优点,在此不再赘述。总的来说,静电电容器同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能。
附图说明
图1是本发明对比例1和实施例1至实施例3所得出的材料的X射线衍射图谱;
图2是本发明实施例2所得出的材料的SEM微观形貌图;
图3是本发明实施例3所得出的材料的SEM微观形貌图;
图4是本发明实施例3所得出的材料的电滞回线图;
图5是本发明实施例1至实施例3和对比例1所得出的材料在不同电场强度下的储能密度对比图;
图6是本发明实施例1至实施例3和对比例1所得出的材料在不同电场强度下的储能效率对比图;
图7是本发明实施例1至实施例3、以及对比例1的介电常数和介电损耗对比图;
图8是本发明的一个实施例中,制备高性能烧绿石储能陶瓷材料的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的。
现有的烧绿石材料的储能性能较差,为改善上述技术问题,本发明提供了一种具有优异储能性能的新型烧绿石材料。发明人发现,Cd2Nb2O7作为一种高性能的烧绿石材料,具有高介电常数,有较高的极化性能,但是击穿强度很低;Bi2Ti2O7具有高击穿强度,但是介电常数很低,进而导致极化较低。本发明通过构建Cd2Nb2O7与Bi2Ti2O7的固溶体可以优化材料的综合储能性能。
本发明提供一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,所述高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学组成通式为:(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7,其中,0<x≤0.2。发明人发现,具有上述化学组成通式的烧绿石储能陶瓷材料同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能,此外该材料还具有结构稳定的特点,具有广泛的应用前景。
在一些具体实施例中,x可以为0.05、0.1、0.15或0.2。
本发明还提供一种制备前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料的方法,参考图8,所述方法包括:
S100、按照高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学计量比,称取CdO、Nb2O5、Bi2O3、TiO2,进行球磨,得到混料;
步骤S100中,所述球磨的时间为12-18小时。通过球磨,可以使各组分充分的混合,进而可以使后续步骤中各组分之间的反应更加充分。
在本发明的一些实施例中,所述球磨为湿法球磨,在进行所述球磨之后、进行预烧之前,所述方法还包括对球磨后的物料进行烘干的步骤,烘干后得到混料。通过烘干,可以除去在球磨时向原料中加入的溶剂,得到干燥的原料粉末。
S200、将所述混料进行预烧;
步骤S200中,所述预烧的温度为900-1000℃,所述预烧的时间为3-5小时。
在进行预烧之后、加入粘结剂之前,所述方法还包括:将预烧后的混料冷却;将冷却后的混料进行二次球磨,将二次球磨后的混料进行二次烘干,将二次烘干后的混料进行研磨。由于经过预烧后的混料会出现结块问题,通过二次球磨,可以使预烧后混料的粒径变小,进而使最终生成的产品的结构致密,具有优异的储能性能。
所述二次球磨为湿法球磨,所述二次球磨的时间为20-24小时。由此,可以使预烧后混料的粒径变小。
所述二次烘干的温度为120-140℃。通过二次烘干,可以除去在湿法球磨时所加入的溶剂,得到干燥的粉末。
S300、在经过所述预烧后的混料中加入粘结剂,过筛,获得粒料;
步骤S300中,选用150目筛网进行过筛操作。通过过筛,可以得到较小尺寸的粒料。
所述粘结剂为质量浓度为2-8%的聚乙烯醇水溶液,例如质量浓度可以为2%、3%、4%、5%、6%、7%或8%;每克预烧后的混料中加入2-3克的所述粘结剂。通过加入粘结剂,可以将物料紧密的粘结在一起,有利于后续的压片成型。
S400、对所述粒料进行压片,进行排胶,获得生坯;
步骤S400中,所述压片的压力为2-4MPa,例如压力可以为2MPa、3MPa或4MPa,在该压力下,可以使所压的片状样品的结构紧密。
所述排胶的温度为500-600℃,所述排胶的时间为2-5小时,所述排胶的升温速度为1-2℃/min。通过排胶,可以去除粒料中的粘结剂,可使最终得到的产品具有致密的结构,具有优异的储能性能。
S500、将所述生坯进行烧结,得到高性能烧绿石储能陶瓷材料。
步骤S500中,所述方法还包括:加入步骤S100中的所述混料作为埋料,随后对所述生坯进行烧结。通过加入埋料,可以防止生坯中的金属元素在烧结时挥发。
所述烧结的温度为1150-1250℃,所述烧结的时间为3-4h;所述烧结的升温速度为5-8℃/min。在该烧结条件下,可以使各原料粉末之间进行充分的反应,进而使所得到的产品具有致密的结构,具有优异的储能性能。
由此,由该方法所得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料具有前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料所具有的全部特征和优点,在此不再赘述。总的来说,由该方法所制备得到的烧绿石储能陶瓷材料同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能,具有广泛的应用前景。此外,该方法还具有工艺简单的优点,适合大规模的工业化生产。
本发明还提供一种静电电容器,包括前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料或者使用前文所述的方法得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料。由此,该静电电容器具有前文所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料所具有的全部特征和优点,在此不再赘述。总的来说,该静电电容器同时具有较大的极化和较高的击穿场强,具有优良的储能性能。
下面参考具体实施例,对本发明进行描述,需要说明的是,这些实施例仅仅是描述性的,而不以任何方式限制本发明。以下实施例和对比例中,除特殊说明,所用试剂均为市售的分析纯产品。
实施例1
一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,其化学组分为(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7的烧绿石材料;其中,x=0.05。
该烧绿石材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7分子式的化学计量比,准确称量初始原料CdO、Nb2O5、Bi2O3和TiO2,称取量为0.015mol该材料所对应的初始原料的总量;具体为CdO为3.6597g,Nb2O5为3.7878g,Bi2O3为0.3495g和TiO2为0.1198g;
(2)将称好的初始原料放入装有氧化锆球的球磨罐中,加入15mL无水乙醇作溶剂进行湿法球磨,球磨转速为260r/min,料球质量比为1:5,球磨时间为18h,得到球磨后的混合物,将混合物倒入托盘中烘干,并在950℃下预烧,自然冷却得到预合成粉体;
(3)将预合成粉体继续湿法球磨24h,烘干后,得到第二次球磨粉体;
向第二次球磨粉体中加入质量浓度为5%的PVA作为粘结剂,混合均匀后,过150目筛子,将小于150目的颗粒,在3MPa下压片,得到陶瓷片;其中,1g烧绿石材料对应所加入的PVA量为2-3g;
(4)将压好的陶瓷片以2℃/min的升温速度加热到600℃排胶3h,得到排胶后的陶瓷片;
(5)将排胶后的陶瓷片以5℃/min的升温速度加热到1200℃中烧结3h,得到烧绿石材料。
实施例2
一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,其化学组分为(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7的烧绿石材料;其中,x=0.10。
该烧绿石材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7分子式的化学计量比,准确称量初始原料CdO、Nb2O5、Bi2O3和TiO2,称取量为0.015mol该材料所对应的初始原料的总量;具体为CdO为3.4671g,Nb2O5为3.5884g,Bi2O3为0.6989g和TiO2为0.2396g;
(2)将称好的初始原料放入装有氧化锆球的球磨罐中,加入15mL无水乙醇作溶剂进行湿法球磨,球磨转速为260r/min,料球质量比为1:5,球磨时间为18h,得到球磨后的混合物,将混合物倒入托盘中烘干,并在950℃下预烧,自然冷却得到预合成粉体;
(3)将预合成粉体继续湿法球磨24h,烘干后,得到第二次球磨粉体;
向第二次球磨粉体中加入质量浓度为5%的PVA作为粘结剂,混合均匀后,过150目筛子,将小于150目的颗粒,在3MPa下压片,得到陶瓷片;其中,1g烧绿石材料对应所加入的PVA量为2-3g;
(4)将压好的陶瓷片以2℃/min的升温速度加热到600℃排胶3h,得到排胶后的陶瓷片;
(5)将排胶后的陶瓷片以5℃/min的升温速度加热到1200℃中烧结3h,得到烧绿石材料。
实施例3
一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,其化学组分为(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7的烧绿石材料;其中,x=0.20。
该烧绿石材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7分子式的化学计量比,准确称量初始原料CdO、Nb2O5、Bi2O3和TiO2,称取量为0.015mol该材料所对应的初始原料的总量;具体为CdO为3.0819g,Nb2O5为3.1897g,Bi2O3为1.3979g和TiO2为0.4792g;
(2)将称好的初始原料放入装有氧化锆球的球磨罐中,加入15mL无水乙醇作溶剂进行湿法球磨,球磨转速为260r/min,料球质量比为1:5,球磨时间为18h,得到球磨后的混合物,将混合物倒入托盘中烘干,并在950℃下预烧,自然冷却得到预合成粉体;
(3)将预合成粉体继续湿法球磨24h,烘干后,得到第二次球磨粉体;
向第二次球磨粉体中加入质量浓度为5%的PVA作为粘结剂,混合均匀后,过150目筛子,将小于150目的颗粒,在3MPa下压片,得到陶瓷片;其中,1g烧绿石材料对应所加入的PVA量为2-3g;
(4)将压好的陶瓷片以2℃/min的升温速度加热到600℃排胶3h,得到排胶后的陶瓷片;
(5)将排胶后的陶瓷片以5℃/min的升温速度加热到1200℃中烧结3h,得到烧绿石材料。
对比例1
一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,其化学组分为(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7的烧绿石材料;其中,x=0。
该烧绿石材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7分子式的化学计量比,准确称量初始原料CdO、Nb2O5、Bi2O3和TiO2,称取量为0.015mol该材料所对应的初始原料的总量;具体为CdO为3.8523g,Nb2O5为3.9871g,Bi2O3为0g和TiO2为0g;
(2)将称好的初始原料放入装有氧化锆球的球磨罐中,加入15mL无水乙醇作溶剂进行湿法球磨,球磨转速为260r/min,料球质量比为1:5,球磨时间为18h,得到球磨后的混合物,将混合物倒入托盘中烘干,并在950℃下预烧,自然冷却得到预合成粉体;
(3)将预合成粉体继续湿法球磨24h,烘干后,得到第二次球磨粉体;
向第二次球磨粉体中加入质量浓度为5%的PVA作为粘结剂,混合均匀后,过150目筛子,将小于150目的颗粒,在3MPa下压片,得到陶瓷片;其中,1g烧绿石材料对应所加入的PVA量为2-3g;
(4)将压好的陶瓷片以2℃/min的升温速度加热到600℃排胶3h,得到排胶后的陶瓷片;
(5)将排胶后的陶瓷片以5℃/min的升温速度加热到1200℃中烧结3h,得到烧绿石材料。
下面以实施例1到实施例3、以及对比例1所制备得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料为实验对象,通过实验分析所制备的烧绿石材料的性质以及性能,具体如下:
性能测试
1、陶瓷的相结构确定:
不同物质都有特定的原子种类、原子排列方式和点阵参数,在X射线作用下晶体的不同晶面发生各自的衍射,呈现出特定的衍射花样。采用X射线粉末衍射,确定陶瓷的结构。得到的粉末衍射结果如图1所示,其中,图中x=0、x=0.05、x=0.10和x=0.20分别对应对比例1、实施例1、实施例2和实施例3。
2、陶瓷的微观形貌表征:
块体陶瓷的晶粒大小与材料表现的击穿场强性能具有强相关性。本文使用仪器型号为蔡司(Zeiss)的Gemini SEM 500场发射扫描电子显微镜表征材料的微观形貌,得到的SEM结果如图2和图3所示,分别为实施例2和实施例3样品的微观形貌图。
3、陶瓷的电滞回线测量:
a)陶瓷片磨薄、抛光,两面涂上银浆,具体地,将烧制好的高介电高击穿储能陶瓷打磨光滑后在其上表面和下表面涂抹圆形银浆(银浆的直径为1mm),在150℃烘烤10分钟后自然冷却至室温,为电学性质的测试做准备。
b)铁电性质的测量:所用仪器为美国Radiant铁电测试系统,测试条件为:室温,频率为1Hz。
4、陶瓷的介电常数和介电损耗的测量:
在制得高性能烧绿石储能陶瓷后,将烧制好的高介电高击穿储能陶瓷打磨光滑后在其上表面和下表面涂抹圆形银浆(银浆直径为4mm),在150℃烘烤10分钟后自然冷却至室温。使用Nova Control进行介电常数和介电损耗的测量。所得到的结果如图7所示,为对比例1、实施例1、实施例2和实施例3在1KHz下的介电常数和介电损耗。由图7可知,随着Bi2Ti2O7含量的增加,样品的介电常数会有明显的下降,相比与对比例1,实施例1-3具有更低的介电损耗。
实施例1至实施例3、以及对比例1的晶体结构的测试结果如图1所示。经XRD测试分析可得,实施例1至实施例3以及对比例1中的材料均表现为纯相的烧绿石结构。
实施例2和实施例3的微观形貌的测试结果如图2和图3所示。由图2和图3可知,与实施例2的产品相比,实施例3所制备的烧绿石储能陶瓷材料的晶粒尺寸和缺陷明显减小,会使陶瓷材料的击穿场强增加。
实施例3的电滞回线结果如图4所示,实施例3的样品表现为线性的电滞回线,符合烧绿石这类线性电介质的特征。
对于像烧绿石这样的线性电介质来说,影响储能密度的因素可以简化为介电常数和击穿场强。
由图7对比实施例1和对比例1,可以发现将Bi2Ti2O7引入到Cd2Nb2O7中,材料的介电常数会出现显著的下降,对比实施例1、实施例2和实施例3可以发现,随着Bi2Ti2O7含量的增加,样品的介电常数会逐渐降低。
由图5和图6可以发现,随着Bi2Ti2O7含量的增加,材料总体表现出更高的击穿场强和更高的储能效率。通过对比例1、实施例1、实施例2和实施例3的对比可以发现,随着Bi2Ti2O7含量的增加,样品的击穿场强逐渐增加。
但是当Bi2Ti2O7含量不高,即x=0.05时,没有明显改善材料的储能效率,参考图6,实施例1的样品相较于对比例1的样品表现出更低的储能效率,是由于易挥发的Bi元素的引入,使得样品在制备过程中更容易形成气孔等缺陷,导致储能效率的降低。当x>0.05时,即实施例2和实施例3的储能效率高于对比例1和实施例1。
综合考虑材料的介电常数、击穿场强、储能效率和储能密度,可以发现x=0.10时样品表现出最优的储能性能,此时材料的有效储能密度Wrec=2.29J/cm3,储能效率η=87%。
通过上述论述可知,构建Cd2Nb2O7和Bi2Ti2O7的固溶体有利于综合提升材料的储能性能。即与现有的烧绿石储能陶瓷材料相比,本申请的(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7具有更好的储能性能,其中,0<x≤0.2。
进一步的,与现有的烧绿石储能陶瓷材料相比,当0.05<x≤0.2时,材料具有较高的介电常数、较高的击穿场强、较高的储能效率和较高的储能密度,具有优异的储能性能。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种高性能烧绿石储能陶瓷材料,其特征在于,所述高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学组成通式为:(1-x)Cd2Nb2O7-xBi2Ti2O7,其中,0.05<x≤0.2。
2.一种制备权利要求1所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料的方法,其特征在于,所述方法包括:
(1)按照高性能烧绿石储能陶瓷材料的化学计量比,称取CdO、Nb2O5、Bi2O3、TiO2,进行球磨,得到混料;
(2)将所述混料进行预烧;
(3)在经过所述预烧后的混料中加入粘结剂,过筛,获得粒料;
(4)对所述粒料进行压片,进行排胶,获得生坯;
(5)将所述生坯进行烧结,得到高性能烧绿石储能陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述球磨的时间为12-18小时;
所述球磨为湿法球磨,在进行所述球磨之后、进行预烧之前,所述方法还包括对球磨后的物料进行烘干的步骤,烘干后得到混料。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述预烧的温度为900-1000℃,所述预烧的时间为3-5小时。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在进行预烧之后、加入粘结剂之前,所述方法还包括:将预烧后的混料冷却;将冷却后的混料进行二次球磨,将二次球磨后的混料进行二次烘干,将二次烘干后的混料进行研磨;
所述二次球磨为湿法球磨,所述二次球磨的时间为20-24小时;
所述二次烘干的温度为120- 140℃。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(3)中,选用150目筛网进行过筛操作;
所述粘结剂为质量浓度为2-8%的聚乙烯醇水溶液;
每克预烧后的混料中加入2-3克的所述粘结剂。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(4)中,所述压片的压力为2-4MPa。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述排胶的温度为500-600℃,所述排胶的时间为2-5小时,所述排胶的升温速度为1-2℃/min。
9.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(5)中,所述方法还包括:加入所述混料作为埋料,随后对所述生坯进行烧结;
所述烧结的温度为1150-1250℃,所述烧结的时间为3-4h;
所述烧结的升温速度为5-8℃/min。
10.一种静电电容器,其特征在于,包括权利要求1所述的高性能烧绿石储能陶瓷材料或者使用权利要求2-9任一项所述的方法得到的高性能烧绿石储能陶瓷材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210640955.8A CN114956816B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210640955.8A CN114956816B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114956816A CN114956816A (zh) | 2022-08-30 |
CN114956816B true CN114956816B (zh) | 2023-03-24 |
Family
ID=82959019
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210640955.8A Active CN114956816B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114956816B (zh) |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR1158856A (fr) * | 1955-09-09 | 1958-06-20 | Gen Electric Co Ltd | Matière ferroélectrique en niobate |
GB1408106A (en) * | 1973-11-30 | 1975-10-01 | Tdk Electronics Co Ltd | Piezoelectric ceramic composition |
AT363380B (de) * | 1975-01-28 | 1981-07-27 | Siemens Ag | Keramisches dielektrisches material |
US4599677A (en) * | 1984-06-01 | 1986-07-08 | Lawless William N | Capacitive energy storage device for use at cryogenic temperatures |
JPH1149600A (ja) * | 1997-05-06 | 1999-02-23 | Sharp Corp | 層状ペロブスカイト膜の形成方法 |
JP4001357B2 (ja) * | 2001-05-16 | 2007-10-31 | Tdk株式会社 | 圧電磁器 |
CN100345795C (zh) * | 2005-11-10 | 2007-10-31 | 西安交通大学 | 一种低温烧结焦绿石高频/微波介质陶瓷及其制备 |
DE102006024231B4 (de) * | 2006-05-23 | 2010-01-28 | Epcos Ag | Keramisches Material, gesinterte Keramik, Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Keramik |
CN101723665B (zh) * | 2009-12-22 | 2012-07-25 | 河北理工大学 | 中温烧结的高温度稳定性电介质陶瓷及其制备方法 |
KR101328345B1 (ko) * | 2011-08-29 | 2013-11-11 | 삼성전기주식회사 | 압전체 조성물, 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 압전 소자와 잉크젯 프린터 헤드의 제조방법 |
CN107381635B (zh) * | 2017-08-07 | 2019-05-28 | 武汉工程大学 | 一种Bi2Ti2O7陶瓷粉体及其制备方法 |
-
2022
- 2022-06-07 CN CN202210640955.8A patent/CN114956816B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114956816A (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11592237B2 (en) | Lithium stuffed garnet setter plates for solid electrolyte fabrication | |
CN113999004B (zh) | 一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法 | |
CN101805185A (zh) | 一种制备铌镁酸铅钛酸铅弛豫铁电陶瓷的方法 | |
CN113248253A (zh) | 一种巨介电常数钛酸锶介质陶瓷及其制备方法 | |
CN106810235A (zh) | 铁酸铋‑钛酸铅‑钛酸钡三元体系高温压电陶瓷及其制备方法 | |
CN115385683B (zh) | 一种兼具高居里温度和高压电系数的压电陶瓷材料及其制备方法 | |
CN107602115B (zh) | 一种无铅高储能密度和宽温稳定陶瓷材料及其制备方法 | |
CN108623301B (zh) | 一种具有三明治结构的无铅低介电损耗和高储能密度陶瓷及其制备方法 | |
CN107814569A (zh) | 一种无铅反铁电体陶瓷及其制备方法 | |
CN114956816B (zh) | 一种高性能烧绿石储能陶瓷材料及其制备方法与应用 | |
CN114988873A (zh) | 一种铋基焦绿石介电储能陶瓷及其制备方法 | |
CN114573338A (zh) | 一种高储能密度介电陶瓷的制备方法及应用 | |
CN108864621A (zh) | 一种陶瓷/聚合物柔性高介电复合材料及其制备方法 | |
CN115101806A (zh) | 氧化物固态电解质及其制备方法、锂电池和电池组 | |
CN112457004B (zh) | 可用于500℃以下振动测量的sbt基压电陶瓷及其制备方法与应用 | |
CN115010493B (zh) | 一种高熵焦绿石介电陶瓷材料及其制备方法与应用 | |
CN110734286B (zh) | 一种铁基石榴石陶瓷材料、其制备和应用 | |
CN114874007B (zh) | 锆酸钙-钛酸锶高效率储能电介质复合陶瓷的制备方法 | |
CN114560695B (zh) | 一种高储能密度和高储能效率的复合陶瓷材料制备方法 | |
CN109678496B (zh) | 一种高储能性能介质陶瓷、制备方法及其应用 | |
JP2023015796A (ja) | 固体電解質、固体電解質製造用の粉末および固体電解質の製造方法 | |
CN118388236A (zh) | 一种具有优异环境稳定性的高储能钛酸铋钾基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法 | |
CN117602930A (zh) | 一种锆锡酸钙铅陶瓷及其制备方法和应用 | |
CN117142849A (zh) | 一种基于骨架效应生长锌镁钛微波陶瓷的方法 | |
JPH04114919A (ja) | 複合ペロブスカイト型誘電体磁器粉末の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |