【摘 要】
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近年来,随着能源转型的不断推进,储能技术的开发与发展受到了业界的高度关注,其中,如何降低存储过程中的损耗,提高能量存储效率的同时又能够不对环境造成负担是目前相关领域的主要研究方向。目前主流的存储电能的装置主要有电化学电容器、化学储能装置以及电介质电容器。其中电介质电容器具有较快的放电速率并能够产生强脉冲或强电流,使其在脉冲放电和功率器件中应用广泛。作为电介质电容器的重要组成部分,无铅反铁电陶瓷同时
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近年来,随着能源转型的不断推进,储能技术的开发与发展受到了业界的高度关注,其中,如何降低存储过程中的损耗,提高能量存储效率的同时又能够不对环境造成负担是目前相关领域的主要研究方向。目前主流的存储电能的装置主要有电化学电容器、化学储能装置以及电介质电容器。其中电介质电容器具有较快的放电速率并能够产生强脉冲或强电流,使其在脉冲放电和功率器件中应用广泛。作为电介质电容器的重要组成部分,无铅反铁电陶瓷同时具备相对较高的介电常数与击穿电场强度并保持较低的介电损耗,且其温度稳定性与抗疲劳性能出色使其在储能领域有着广泛的应用前景。其中,以NaNbO3为基体的无铅储能陶瓷体系同时具备铌酸盐基无铅陶瓷高居里温度与高机电耦合系数的优点,并能够通过掺杂改性,与不同结构的铁电体材料或是反铁电体材料形成具有独特性能的固溶体储能陶瓷,以获得更加出色的储能性能,因此成为了近些年较为引人注目的铌酸盐基无铅储能陶瓷体系。在储能性能的研究中,材料的储能效率是其重要指标之一,目前通常采用电滞回线测量法来计算储能效率。但是此种方法还存在着许多缺点,例如,铁电测试仪测试电滞回线过程中会对样品产生感应极化、电导干扰等因素的影响因而无法准确地体现其本身的铁电性能,并且该方法测试得到的电滞回线只有其电畴反转过程产生的极化才能够确实地体现铁电体地铁电性能。此外,高压源输出的高压有一定概率将样品击穿而导致样品无法进行二次测试。基于以上思想,本论文采用常规固相反应法制备了一系列(1-x)NaNbO3-x Sr0.7Bi0.2Ti O3陶瓷样品,并进行了晶体结构与微观形貌的研究与分析,同时研究了不同掺杂组分下以及不同烧结温度参数下所制备的各陶瓷样品的储能性能。在其储能效率测试方法上,本论文制备得到了一种垂直接触分离式摩擦纳米发电机,并利用其结合各陶瓷样品搭建了一套陶瓷储能效率测试电路,通过对陶瓷样品进行直接充放电电流测试得到了对应陶瓷样品的储能效率值。此外,本论文利用制备得到的陶瓷电容搭配不同电阻,实现了对摩擦纳米发电机输出信号的高通以及低通滤波。本论文得到如下结论:1.0.7NaNbO3-0.3Sr0.7Bi0.2Ti O3(0.7NN-0.3SBT)陶瓷样品为单一钙钛矿结构,与纯NaNbO3相比,0.7NN-0.3SBT陶瓷样品的晶粒尺寸缩小,微观形貌更加致密。随着Sr0.7Bi0.2Ti O3掺杂组分的增加,对应样品的电滞回线整体越显细长,表明其介电损耗降低,样品的储能效率随之增加,同时,饱和极化强度随着SBT掺杂量的增加而减小,样品0.7NN-0.3SBT在1180℃烧结温度下达到了相对最优的储能性能,击穿场强达到了179.9k V/cm,最大极化强度为43.8μC/cm~2,储能密度为1.54J/cm~3,储能效率为34%。2.以电子亲合能差异较大的PTFE薄膜与铝箔材料作为电极制备而成的垂直接触分离式摩擦纳米发电机在负载电阻为10M(?),激振器频率为2Hz时,达到了器件的最大输出功率4m W,10M(?)即为本器件的匹配阻抗值。3.基于摩擦纳米发电机的陶瓷储能效率测试回路,回路充电损耗较低,充电效率最高达到了93.77%。同时,测试结果显示,使用铁电测试仪与摩擦纳米发电机测试回路测试得到的储能效率在不同厚度样品上的趋势一致并且数值接近,表明通过摩擦纳米发电机对陶瓷电容进行充放电测试得到储能效率这一方式准确且可靠。4.基于陶瓷电容的摩擦纳米发电机带通滤波回路,滤波效果良好,并且由于陶瓷电容的无铅特性,也不会污染环境,可以重复使用。结果显示,当输出信号接通在低通滤波两端,当摩擦纳米发电机的按压频率由17.3Hz下降到10.3Hz,输出正弦波的电压数值从88.8V上升到了100.9V。当输出信号接通为高通滤波两端,当摩擦纳米发电机的按压频率由17.3Hz下降到13.3Hz,正弦波的电压数值从126.0V下降到了105.8V。
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