钛酸锶基陶瓷的制备与能量存储性能研究

来源 :陕西科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:lidenglu1114
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陶瓷电容器具有充放电速度快、介电常数大、应用温度范围宽、使用寿命长等优点,在脉冲功率体系中具备广阔的应用前景。目前大多数应用在脉冲功率体系中的陶瓷电容器含有污染环境且危害人体健康的铅元素,然而无铅陶瓷电容器由于电场强度低或最大极化强度小等原因,导致现有的无铅陶瓷电容器的储能密度小、储能效率低,无法满足电子元器件面向小型化和集成化方向发展的需要。因此,本研究以改善无铅陶瓷材料的储能特性为目的,采用传统固相法和流延成型法制备钛酸锶基储能陶瓷,并对其相关的性能进行详细的研究。采用传统固相法制备(1-x)SrTiO3-x(0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3)(简记为(1-x)ST-x(BT-BNT))和(1-x)SrTiO3-x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3)(简记为(1-x)ST-x(BNT-BAN))储能陶瓷。分析结果表明,ST能够与BT-BNT和BNT-BAN形成钙钛矿固溶体。随着BT-BNT和BNT-BAN含量不断增加,样品的最大介电常数对应的温度(Tm)逐渐向高温方向移动,最大极化强度(Pmax)不断增大,且所有样品均能够呈现出瘦细的P-E曲线。(1-x)ST-x(BT-BNT)储能陶瓷在x=0.3时的储能特性最优,其充电能量密度(储能密度,W)为1.54 J/cm3,放电能量密度(可逆储能密度,Wrec)为1.40 J/cm3,储能效率(η)为91%。(1-x)ST-x(BNT-BAN)储能陶瓷则在x=0.5时的储能特性最优(W=2.46 J/cm3,Wrec=1.89 J/cm3,η=77%)。采用传统固相法制备(1-x)SrTiO3-x(Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Ti0.96Zr0.02Sn0.02O3)(简记为(1-x)ST-xBNKTZS)储能陶瓷。然后分别选用传统固相法和流延成型法制备(1-x)SrTiO3-x(Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3)(简记为(1-x)ST-xBLNLTZ)储能陶瓷。结果表明,ST能够与BNKTZS和BLNLTZ形成钙钛矿固溶体。随着BNKTZS和BLNLTZ含量不断增加,样品的平均晶粒尺寸和介电常数呈现出逐渐增大的趋势。传统固相法制备的(1-x)ST-xBNKTZS储能陶瓷在x=0.4时能够获得最佳的储能特性(W=1.68 J/cm3,Wrec=1.45J/cm3,η=86%)。传统固相法制备的(1-x)ST-xBLNLTZ储能陶瓷在x=0.2时能够呈现出最卓越的储能特性(W=1.77 J/cm3,Wrec=1.56 J/cm3,η=88%),而采用流延成型法制备的(1-x)ST-xBLNLTZ储能陶瓷在x=0.1时的Wrec可以达到2.59 J/cm3,相应的W=3.04 J/cm3,η=85%。采用传统固相法制备(1-x)SrTiO3-x(0.94Bi0.54Na0.46TiO3-0.06BaTiO3)(简记为(1-x)ST-x(BNT-BT))储能陶瓷,然后采用流延成型法制备(ST+0.5wt%Li2CO3)/(BNT-BT)(简记为STL/(BNT-BT))多层储能陶瓷。结果表明,(1-x)ST-x(BNT-BT)储能陶瓷在x=0.5时能够获得最佳的储能特性(W=2.36J/cm3,Wrec=1.88 J/cm3,η=79%)。STL/(BNT-BT)多层储能陶瓷不仅能够观察到明显的层状结构,并且兼具STL陶瓷和BNT-BT陶瓷各自的性能,表现出优异的储能特性(W=3.55 J/cm3,Wrec=2.41 J/cm3)。采用流延成型法制备(STiO3+0.5 wt%Li2CO3)/(0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3)(简记为STL/(BNT-BLZT))多层储能陶瓷和(1-x)ST-x(BNT-BLZT)储能陶瓷。结果表明,当电场强度从20 kV/cm增加到294 kV/cm时,STL/(BNT-BLZT)多层储能陶瓷的Pmax能够从3.89μC/cm2迅速的增加到29.04μC/cm2,此时的Pr值只有3.63μC/cm2,从而使得W=3.67J/cm3,Wrec=2.72 J/cm3,η=74%。(1-x)ST-x(BNT-BLZT)储能陶瓷能够表现出纯的钙钛矿结构,并且Pmax随BNT-BLZT含量增多而不断增大。当x=0.2时,样品的电场强度可以达到320 kV/cm,此时能够得到最佳的储能特性(W=3.33 J/cm3,Wrec=2.83 J/cm3,η=85%)。同时,(1-x)ST-x(BNT-BLZT)储能陶瓷的储能密度和储能效率在较宽的温度和频率范围内具有良好的稳定性。
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