钛酸铋钠基介质储能陶瓷的制备及电学性能表征
- 文献综述
1、引言
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着世界经济和人类社会的飞速发展，人们对能源的需求与汲取在日益增大。由于绝大多数的新型能源仍需转化为电能储存起来，因此电能储存技术至关重要。同时，随着电子设备的便携化、小型化，电力系统的稳定化，以及混合动力汽车的快速发展，开发体积紧凑、价格低廉且性能优异的储能器件，成为函待解决的关键问题。
电介质电容器因其具有超高功率密度以及超快速充放电能力等特点，广泛应用于商业、消费品、医疗以及军用等领域，例如电压平滑与滤波、抗浪涌、藕合与去祸合、电源调制、抗电磁干扰、医疗除颤器、电装甲与电枪，以及定向能武器等。电介质电容器是通过将电介质极化，使得电极表面富集电荷形成电场而实现电能的储存和释放。这一快速充放电特性，非常适用于功率波动大或者需要高功率密度的领域的电能储存应用。同时，电介质电容器具有很高的循环寿命，全固态结构，安全可靠等特性。因此，近年来，随着电力电子器件和系统向着小型化、轻量化以及集成化方向发展，开发具有高储能密度的电介质电容器具有重要的意义。
陶瓷储能电容器是介质电容器中的最重要分类之一，具有比功率密度大、比能量密度大、充放电时间短、循环寿命长、温度使用范围广等优点，有可能成为新一代的储能装置，已成为各方关注的焦点。由于电子科学技术的高速发展，陶瓷储能电容在整个电子信息行业的地位越来越重要。相较于其他类型电容器，陶瓷电容器有着卓越的电容温度特性、阻抗频率特性以及相对低廉的成本，是目前生产和需求量最大的一类电容器。[1]在军事、民用的储能动力系统中需要具有高功率的脉冲电源系统，同时电子器件的小型化发展要求储能陶瓷具有较高的储能效率与密度。铁电性陶瓷储能材料具有十分优异的储能性能，其中以铅基储能材料的性能最为优异。传统压电陶瓷主要是以含铅的锆钛酸铅系为主，其主要成分是氧化铅。但是由于氧化铅的易挥发性以及有毒性，让这类陶瓷材料在生产、使用后及废弃后的处理过程中，会给人类和生态环境造成严重的危害。因此，需要研究开发出储能性能可以与之媲美的无铅储能材料。[2]
在已知的无铅铁电陶瓷材料中，主要有以下几个类别：一、钙钛矿结构，其化学通式为ABO3 主要包括钛酸钡（BaTiO3）基（BT基）无铅压电陶瓷、钛酸铋钠[(Bi0.5Na0.5)TiO3]（BNT基）无铅压电陶瓷和碱金属铌酸钾钠[(K,Na)NbO3]基（KNN基）无铅压电陶瓷。二、钨青铜结构，主要包括铌酸锶钡系（Sr1-xBaxNb2O6）和铌酸钡钠系(NaBa2Nb5O15)为代表的无铅压电陶瓷。三、铋层状结构，此类压电陶瓷为具有层状结构的化合物，是由铋层状结构化合物层和钙钛矿结构的晶格层穿插交叠而成。主要包括以钛酸铋（Bi4Ti3O12）、钛酸铋钙（CaBi4Ti4O15）和钛酸铋锶（SrBi4Ti4O15）系为代表的铋层状结构无铅压电陶瓷。
钛酸铋钠压电陶瓷材料是1960年由Smolensky等人发现的A位复合离子钙钛矿驰豫型铁电体材料。居里温度为320℃，室温下为铁电三方相，自发极化强度为38mu;C/cm2 。BNT陶瓷具有铁电性强，压电系数大、介电常数小、声学性能好、烧结温度低等优良特性。BNT基固溶体是一种弛豫铁电体，介温谱表现出双介电峰结构，有利于宽温介温稳定性的获得;电滞回线表现出束腰形状，具有较高的最大极化强度和较低的剩余极化强度，有利于高储能密度的获得。无论是在温度稳定型电容器的应用方面，还是在储能电容器的应用方面，BNT基体系都表现出一定的潜力。因此，对钛酸铋钠基陶瓷材料的研究具有十分重要的科学意义。故本次实验的目的就是钛酸铋钠基固溶体陶瓷块体为研究对象，通过化学掺杂，陶瓷制备工艺优化等等手段，研究化学组成、制备工艺对陶瓷储能性能的影响规律，期待开发一种新型的BNT基宽温、高储能介质材料。
- 前人在本选题研究领域中的工作成果简述
近年来，国内外相继报道了(Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTi03-K0.5Na0.5Nb03 (简称BNT-B T-KNN)块体陶瓷在5-6 kV/mm的中等电场强度下的储能性能，以此提出BNT基陶瓷是一种具有前景的无铅储能材料。随后，关于BNT基陶瓷储能的报道陆续出现且逐年增加。研究报道的体系包括BNT二元、三元固溶体，固溶组元包括K0.5Na0.5Nb03, KNb03, Bi0.5K0.5TiO3,SrTi03, BaZrO3等多种钙钛矿结构，陶瓷的制备方法多为高温固相反应法。除了探究不同体系之外，基于工艺改进的研究也有报道，如采用两步烧结法制备陶瓷块体样品，目的是通过改进烧结工艺，细化晶粒，从而提高储能性能。
在新型电介质材料的开发中，宽温稳定性和高储能密度同等重要。BNT基陶瓷无论是在温度稳定型电容器的应用方面，还是在储能电容器的应用方面，都表现出一定的潜力，但是针对于“宽温、高储能密度”应用方面，尚且鲜有报道。因此，探索BNT基陶瓷体系在宽温、高储能方面的应用前景，不仅是对己有研究的进一步拓展，而且对于新型介质材料的开发具有重要的意义。总体来说，就储能参数而言，目前所报道的BNT基陶瓷块体在室温下的击穿强度不超过11 kV/mm最大储能密度在0.9-1.66 J/cm3范围内。
