【摘 要】
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随电子工业的飞速进步和脉冲动力设备的快速发展,各行业对电子产品环保化、集成化、小型化和便携化的要求愈来愈高,从而在先进电力设备中电能的储存装置就变得越来越重要。因此,为了满足新兴电能应用装置的需要,发展新型环保高效的储能材料意义重大。本文针对目前无铅陶瓷储能密度较低的问题,以Na0.5Bi0.5Ti O3陶瓷为基体引入不同组分进行结构调控,以期优化储能性能。Na0.5Bi0.5Ti O3陶瓷具有较
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随电子工业的飞速进步和脉冲动力设备的快速发展,各行业对电子产品环保化、集成化、小型化和便携化的要求愈来愈高,从而在先进电力设备中电能的储存装置就变得越来越重要。因此,为了满足新兴电能应用装置的需要,发展新型环保高效的储能材料意义重大。本文针对目前无铅陶瓷储能密度较低的问题,以Na0.5Bi0.5Ti O3陶瓷为基体引入不同组分进行结构调控,以期优化储能性能。Na0.5Bi0.5Ti O3陶瓷具有较大饱和极化,但其较大的剩余极化、较高的矫顽场不利于储能的应用。本论文首先选择Ba Ti O3对Na0.5Bi0.5Ti O3进行结构优化,保留其大的极化同时降低其剩余极化和矫顽场。其次,引入不同特性的固溶体进行改性,进一步提高其储能性能,最终得到具有优异储能性能的新型无铅储能介质陶瓷。三方相BNT中引入四方相BT将引起相结构变化,当BT的含量增至x=6%时,样品出现准同型相界（MPB）结构。通过P-E电滞回线测试发现,在x=6%和x=8%两个组分中均出现了明显的束腰现象,但导致束腰现象的原因却不同,在x=6%组分中由MPB结构造成,而在x=8%的组分中MPB结构消失,束腰现象因不同畴转向所导致。此外,在x=6%的组分中具有最高Pmax和最小Pr,因而最具有储能潜力。基于上述研究,以BNT-6BT陶瓷为基体引入不同组元进行优化改性。研究表明,将弛豫体BMN的引入BNT-6BT中,能够保留因电场诱导相转变而导致的束腰现象,在降低Pr同时保留了大的Pmax,（BNT-BT）-15BMN在260 k V/cm的电场下获得了3.07 J/cm~3的高储能密度,储能效率为70%。将反铁电体NN引入BNT-6BT中时,可促进BNT-6BT两个介电峰的融合,表明NN具有稳定相结构的作用。（BNT-BT）-20NN样品在210 k V/cm的电场下获得了2.24 J/cm~3的储能密度,储能效率为75.5%。将NZN与NZS引入BNT-6BT中,尽管B位元素化学价不同,但当A位Nd元素引入量＞10%时,均会造成富铋化合物以次生相从晶界中析出。少量含Nd复合物的引入不引起BNT-6BT陶瓷钙钛矿结构的变化,但可降低剩余极化,增加弛豫性,从而提升储能性能。（BNT-BT）-5NZN和（BNT-BT）-5NZS陶瓷分别在200 k V/cm和220 k V/cm的电场下得到了2.2 J/cm~3和2.6J/cm~3的储能密度,储能效率均为72%。这两种陶瓷在高温下储能性能均优于常温下的储能性能,在相同电场下,具有相似的电学性能及储能性能,但Sn元素的引入过多将不利于耐电压的提升。此外,制备工艺对陶瓷性能影响显著,本研究结合对辊轧制工艺,获得了（BNT-BT）-15BMN陶瓷轧膜样,其在420 k V/cm的电场下获得了6.3 J/cm~3的超高储能密度及80%的高储能效率,同时亦表现出极其优异的温度、频率稳定性。总之,BNT-6BT陶瓷独特的电学性能使其在储能方面拥有巨大应用潜力,而本文所提出的引入多种组元进行结构调控的策略和采用先进制备工艺的设计对新型储能材料的研究发展具有理论指导意义。
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