CN116217229B - 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法 - Google Patents

一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116217229B
CN116217229B CN202310285132.2A CN202310285132A CN116217229B CN 116217229 B CN116217229 B CN 116217229B CN 202310285132 A CN202310285132 A CN 202310285132A CN 116217229 B CN116217229 B CN 116217229B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy storage
ceramic
powder
potassium titanate
sodium niobate
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
Application number
CN202310285132.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116217229A (zh
Inventor
郑鹏
斯裴笑看
白王峰
郑梁
张阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Dianzi University
Original Assignee
Hangzhou Dianzi University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
Priority to CN202310285132.2A priority Critical patent/CN116217229B/zh
Publication of CN116217229A publication Critical patent/CN116217229A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116217229B publication Critical patent/CN116217229B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • 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
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides 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
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3213—Strontium oxides 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
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • 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
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高储能密度铌酸锶钠‑钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法，采用固相合成方法，以填充型钨青铜材料Sr2NaNb5O15为基础，掺入一定量钙钛矿材料(Bi0.5K0.5)TiO3，其化学式是(1‑x)Sr2NaNb5O15‑x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中0.0≤x≤0.4。本发明获得的脉冲储能介质陶瓷材料，具有较高的可恢复储能密度Wrec＝4.54J/cm3，较高的储能效率η＝94.02％，能量存储性能较现有产品有大幅提升。所述制备方法工艺流程简单，适合工业化生产，同时符合无铅环保的要求。

Description

一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备 方法
技术领域
本发明涉及电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着能源需求的增加和化石燃料的消耗，提高传统能源利用率和拓宽新能源实用范围的问题日益凸显，这给能量存储装置的快速发展提供了机会。在这些储能元件中，电介质电容器因具有超快充放电速度和大功率密度的优势，符合新能源开发和利用的要求，在电磁脉冲武器、混合动力汽车、生物医疗器械等领域得到了广泛的应用。面对复杂环境和高度集成信息化的趋势，对设备的集成化、微型化、轻量化提出了更高的的要求，人们迫切期望找到一种展现高储能密度的电介质材料。因此，具有高储能密度的材料已成为高性能脉冲储能电容器应用的必然选择。
目前，铅基钙钛矿电介质陶瓷在储能应用方面表现出了突出的优势，如PbZrO3基陶瓷，具有巨大的能量密度。然而，铅元素对生态系统和人类的危害十分严重，这促使人们对无铅介电陶瓷的替代材料进行了深入的研究。在这些无铅陶瓷中，无铅弛缓铁电陶瓷因其大的极化和细的磁滞回线引起了广泛的研究兴趣。近年来，关于无铅弛缓铁电陶瓷用于电容器应用的研究有很多报道，主要集中在钙钛矿基弛缓陶瓷上，并取得了显著的成果。然而，只有一些陶瓷表现出与铅基陶瓷相当的储能性能。在这种情况下，为了满足储能器件的商业化，迫切需要开发具有高储能性能的新型无铅陶瓷系统。
钨青铜结构陶瓷是仅次于钙钛矿结构的最重要的介质材料之一，因其复杂和可调的结构展现出独特且令人关注的介电和铁电性能，被广泛的应用于光电、非线性光学、压电、热释电等领域。钨青铜开放的结构允许其性能广泛的可调谐性，可能会在储能方面有很大的潜力。铌酸锶钠是一种典型的填满型钨青铜结构陶瓷，具有良好的介电性能和铁电性能，在提高储能性能方面存在巨大潜力。然而，纯的铌酸锶钠陶瓷存在烧结困难，晶粒异常生长的情况，这使得它的耐压低于200 kV/cm。另外，纯的铌酸锶钠陶瓷弛豫性不高，导致了剩余极化很大，效率不高。这些缺点限制了它在储能方面的应用。因此，有效地提高铌酸锶钠陶瓷的储能密度显得尤其重要。
发明内容
针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及其制备方法，首次将钛酸铋钾引入铌酸锶钠基陶瓷中进行复合，打破长程铁电有序结构，诱导形成极性纳米微区，获得低的剩余极化强度；提高其致密性，减小其晶粒尺寸，提高了陶瓷的击穿强度。这种陶瓷具有储能密度高、环境友好、实用性高的优点，可以应用于对储能密度有高要求的储能电容器上，具有重大经济价值。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中0.0≤x≤0.4。
作为优选的技术方案，x=0.2。该组分制备的陶瓷具有较小的晶粒尺寸，有助于提高击穿强度。同时，该组分的介电常数适中，剩余极化低，两者达到良好的平衡状态，有利于获得高的可恢复储能密度。
本发明还提出了一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的制备方法，具体还包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，其中x=0.0~0.4，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050-1100℃下预烧，保温时间3-4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在600-650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275～1350℃，升温速率3-4℃/min，保温时间2-3小时，冷却到室温后得到一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
进一步的，步骤一中所述SrCO3、Nb2O5、Bi2O3、K2CO3原料的纯度大于99.5%，所述Na2CO3、TiO2原料的纯度大于99.8%。
进一步的，步骤一及步骤三球磨过程中，所述球磨时间为12h。
进一步的，步骤三过筛过程中使用80目和140目筛子过筛，取80目和140目筛子中间层的粉料。
进一步的，步骤三造粒过程中使用浓度为5%的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，将粉料在研钵中混合均匀后置于模具中，压制成坯块。
进一步的，步骤二中预烧温度优选为1050℃，保温时间优选为4小时。
进一步的，步骤四中烧结温度优选为1275℃，保温时间优选为3小时。
进一步的，烧结后的陶瓷片还要进行抛光打磨至0.1-0.15mm厚度，并在双面喷上金电极。
本发明制备的(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3陶瓷利用将铌酸锶钠与钙钛矿材料复合的方法，大幅度提升了陶瓷的致密性，进而增强了陶瓷的击穿电场，最终导致了陶瓷储能密度的提高。此外，本发明通过向铌酸锶钠引入一定比例的钛酸铋钾，引起了铌酸锶钠基钨青铜陶瓷中NbO6八面体的倾斜，打破了长程有序的偶极子排列顺序，形成了极性纳米微区，使铌酸锶钠的驰豫性明显增强，获得了具有高有效储能密度和高储能效率的新型储能陶瓷。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1) 本发明提供的储能介质陶瓷材料在性能上实现了较大的提升。现有技术制备的钨青铜体系的储能密度大多在2J/cm3左右。相比之下，本发明提供的储能介质陶瓷材料的储能密度是之前报道过的两倍左右，实现了4.54J/cm3的高储能密度和94.02%的高储能效率。
(2) 本发明获得的钨青铜结构储能陶瓷充放电速度快，对于实现脉冲功率器件的无铅化具有极高的应用价值，可广泛应用于各类储能元器件。
(3) 本发明通过传统固相反应法获得，制备成本低，工艺简单且易于操作，适合大批量工业化生产，有望作为新一代环境友好型储能陶瓷介质材料。
附图说明
图1为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的XRD衍射分析图谱；
图2为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的SEM显微结构图片；
图3为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的介电常数和介电损耗随温度变化曲线；
图4为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的电滞回线；
图5为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的储能特性随电场变化曲线；
图6为实施例2制得的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的放电电流峰值(I max),放电电流密度(I max/S)和放电功率密度(P D)随电场强度变化曲线。
实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步了解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中x=0.1。具体包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050℃下预烧，保温时间4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275℃，升温速率4℃/min，保温时间3小时，冷却到室温后得到一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
经测试，该陶瓷在120kV/cm电场下充电能量密度(总能量密度，W)达到1.00J/cm3，可用储能密度(可利用储能密度，W rec)达到0.83J/cm3，储能效率(η)达到82.28%。
实施例
一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中x=0.2。具体包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050℃下预烧，保温时间4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275℃，升温速率4℃/min，保温时间3小时，冷却到室温后得到一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
经测试，该陶瓷在120kV/cm电场下充电能量密度(总能量密度，W)达到0.99J/cm3，可用储能密度(可利用储能密度，W rec)达到0.89J/cm3，储能效率(η)达到90.28%。经低电场下比较，x=0.2组分储能性能较佳，优选为最好组分。具体如下：
图1为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的XRD衍射分析图谱。从图中可以看出，该陶瓷是典型的钨青铜结构。
图2为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的SEM显微结构图片。从图中可以看出，该陶瓷晶粒尺寸在1.26微米左右，这有助于提高陶瓷的耐击穿强度。
图3为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷在1kHz-1MHz下的介电常数和介电损耗随温度变化曲线，其测试温度为25-400℃。从图中可以看出该陶瓷的介电峰对应的温度在室温以下。
图4为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷在室温和10Hz下测得的单向电滞回线，从图中可以看出，该陶瓷的电滞回线比较细长，且最高电场强度可达高430kV/cm。
图5为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷在200-4300kV/cm电场内储能性能，从图中可以看出，在430kV/cm电场下充电能量密度(总能量密度，W)达到4.83J/cm3，可用储能密度(可利用储能密度，W rec)达到4.54J/cm3，储能效率(η)达到94.02%。
图6为制备的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的无阻尼放电电流峰值，放电电流密度和放电功率密度。从图中可以看出，该陶瓷在200kV/cm电场强度下放电电流峰值可以达到26.3A，放电电流密度到达844.9A/cm2，放电功率密度达到84.5MW/cm3。由此可知该陶瓷具有一定的商业应用前景。
实施例
一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中x=0.3。具体包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050℃下预烧，保温时间4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275℃，升温速率4℃/min，保温时间3小时，冷却到室温后得到一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
经测试，该陶瓷在120kV/cm电场下充电能量密度(总能量密度，W)达到0.85J/cm3，可用储能密度(可利用储能密度，W rec)达到0.81J/cm3，储能效率(η)达到94.33%。
实施例
一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中x=0.4。具体包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050℃下预烧，保温时间4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275℃，升温速率4℃/min，保温时间3小时，冷却到室温后得到一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
经测试，该陶瓷在120kV/cm电场下充电能量密度(总能量密度，W)达到0.70J/cm3，可用储能密度(可利用储能密度，W rec)达到0.68J/cm3，储能效率(η)达到98.04%。
综上所述，将铌酸锶钠基钨青铜陶瓷与钙钛矿材料钛酸铋钾进行复合，一方面提高了陶瓷的烧结致密性，减小了晶粒尺寸，从而增强了材料的击穿强度；另一方面，增强了陶瓷的驰豫性，不仅得到了瘦的电滞回线，有利于获得高储能效率，并且降低了材料的铁电响应，从而提高了其温度稳定性，得到了一种具有高储能性能，优异充放电性能以及良好的温度稳定性的新型储能介质陶瓷，具有良好的应用前景，能满足高性能脉冲电容器的行业需求。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其特征在于，该陶瓷的化学组成为(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3，其中，0.1≤x≤0.4。
2.根据权利要求1所述的一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷，其特征在于，x=0.2。
3.一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷的制备方法，其特征在于，使用固相反应法制备得到，包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、K2CO3粉体和TiO2粉体为原料，按照通式(1-x)Sr2NaNb5O15-x(Bi0.5K0.5)TiO3称取原料，其中，0.1≤x≤0.4，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050-1100℃下预烧，保温时间3-4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生坯；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在600-650℃下进行排胶处理，以去除PVA；将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275～1350℃，升温速率3-4℃/min，保温时间2-3小时，冷却到室温后得到高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷。
4.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，步骤一中，SrCO3、Nb2O5、Bi2O3、K2CO3原料的纯度大于99.5%， Na2CO3、TiO2原料的纯度大于99.8%。
5.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，步骤一及步骤三球磨过程中，球磨时间为12h。
6.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，步骤三中，过筛过程中使用80目和140目筛子过筛，取80目和140目筛子中间层的粉料。
7.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，步骤三中，造粒过程中使用浓度为5%的聚乙烯醇作为粘结剂，将粉料在研钵中混合均匀后置于模具中，压制成坯块。
8.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，步骤三模压成型过程中的压强控制在200MPa。
9.根据权利要求3所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，还包括抛光和镀金电极的步骤。
10.根据权利要求9所述的高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷制备方法，其特征在于，抛光和镀金电极的步骤中，将步骤四中得到的陶瓷打磨至0.1-0.15mm厚度，并在双面溅射金电极，得成品。
CN202310285132.2A 2023-03-22 2023-03-22 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法 Active CN116217229B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310285132.2A CN116217229B (zh) 2023-03-22 2023-03-22 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310285132.2A CN116217229B (zh) 2023-03-22 2023-03-22 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116217229A CN116217229A (zh) 2023-06-06
CN116217229B true CN116217229B (zh) 2023-10-20

Family

ID=86569504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310285132.2A Active CN116217229B (zh) 2023-03-22 2023-03-22 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116217229B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103896583A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 深圳海川新材料科技有限公司 一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法
CN112876247A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 杭州电子科技大学 一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法
CN114736016A (zh) * 2022-04-13 2022-07-12 杭州电子科技大学 一种宽温度稳定性的高储能密度钛酸铋钾基钙钛矿陶瓷及制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103896583A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 深圳海川新材料科技有限公司 一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法
CN112876247A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 杭州电子科技大学 一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法
CN114736016A (zh) * 2022-04-13 2022-07-12 杭州电子科技大学 一种宽温度稳定性的高储能密度钛酸铋钾基钙钛矿陶瓷及制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
钨青铜Ba2NaNb5O15的结构改性及其添加对Na0.5Bi0.5TiO3基陶瓷介电性能的影响研究;李润;中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑;B015-274 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116217229A (zh) 2023-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109180178B (zh) 一种高储能密度钛酸锶钡基无铅弛豫铁电陶瓷及其制备方法
CN112876247B (zh) 一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法
CN112919903B (zh) 高效电容器用钛酸锶铋基无铅陶瓷材料及其制备方法
CN108751982B (zh) 一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法
CN106915960B (zh) 一种无铅高储能密度和储能效率陶瓷材料及其制备方法
CN113004032B (zh) 一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法
CN111978082B (zh) 一种铌镁酸锶掺杂改性钛酸铋钠基储能陶瓷材料及其制备方法
CN106587986B (zh) 具备储能、应变与宽介电温区的多功能无铅陶瓷及制备方法
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
CN114736016B (zh) 一种宽温度稳定性的高储能密度钛酸铋钾基钙钛矿陶瓷及制备方法
CN114621004B (zh) 一种高储能密度的高熵陶瓷材料及其制备方法
CN106747440B (zh) 一种可见光透明储能陶瓷及其制备方法
CN113716956A (zh) 一种锆钛酸锶固溶改性钛酸铋钠基陶瓷材料及其制备方法
CN102674832A (zh) 一种钛酸钡基无铅含铋弛豫铁电陶瓷材料及制备方法
CN113213929A (zh) 高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法
CN113321506A (zh) 一种无铅弛豫铁电体陶瓷材料及制备方法
CN112521145B (zh) 钛酸锶钡基高储能密度和功率密度陶瓷及其制备方法
CN106699173A (zh) 一种反铁电高储能陶瓷材料及其制备方法
CN107445611B (zh) 一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法
CN103693958A (zh) 一种用于储能电容器的反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用
CN111253151B (zh) 具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷及制备方法
CN113213918A (zh) 兼具高压电性能和低损耗的钛酸锶铋—钪酸铋—钛酸铅系高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN109320236B (zh) 一种高储能密度和充放电性能的复合材料及其制备方法
CN116217229B (zh) 一种高储能密度铌酸锶钠-钛酸铋钾无铅储能陶瓷及制备方法
CN109485416B (zh) 一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法

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