基于离子扩散行为获取高储能密度瓷介超级电容器材料的试验研究

In order to solve the problem of electric-energy storage, a kind of barium titanate ceramic powders with high energy density is studied. The storage ability of capacitor depends on the dielectric constant and dielectric strength. The significant impacts of ion diffusion behavior on the dielectric constant was first proposed. The nanopowders composed of two ferroelectric phases were designed and synthesized, based on the ion diffusion mechanism. This material not only aviods the disadvantage of low permittivity by traditional solid-state method, but also increase the permittivity greatly. ZnO depsited on the surface of powders suppresses the grain growth and absorbs defects in the crystal boundary, so that the dielectric strength is increased. Through measures mentioned above, the storage ability of capacitor can be improved. In this study, cheap inorganic salts are used as raw materials. Ba0.985Bi0.01TiO3-BaTi1-xZrxO3-ZnO nanopowders were synthesized by hydrothemal method. Ceramics were prepared by one-step and two-step sintering methods. Through controlling the technological parameter and ion diffusion behavior, ceramic capacitors with high energy density will be obtained finally. This study will provide a theoretical reference to the energy storage, and promote the development of the battery industry of our country.

为解决电能的存储问题，本课题研究了一种具有高储能密度的钛酸钡基瓷粉。由于电容器的存储能力取决于介电常数和介电强度，本课题组首次提出了离子的扩散行为对介电性能的重要影响，并基于离子扩散机理设计和制备了由两种成分不同的钛酸钡基铁电相包覆而成的纳米粉晶，不仅避免了传统固相法中混入大量非铁电相导致介电常数降低的缺点，而且还能大幅度提高介电常数；通过在粉晶表面沉积ZnO以抑制晶粒生长、吸收晶界缺陷，从而提高材料的介电强度，最终实现提高材料存储能力的目的。本项目以廉价的无机盐为原料，采用水热法制备Ba0.985Bi0.01TiO3-BaTi1-xZrxO3-ZnO纳米粉体，利用一步烧结法和两步烧结法制备陶瓷，通过调控工艺参数和离子的扩散行为，制备出具有高能量密度的陶瓷电容器材料。该项目的研究为解决能源存储问题提供了理论参考，对促进我国电池行业的发展具有重要意义。

近年来，随着国家节能减排政策的实施，“储能”这一名词越来越多的进入人们的视野。传统的电能存储元件主要有静电电容器和蓄电池。静电电容器存储的能量很低，而蓄电池传递能量的速度有限。因此，人们把目光投向了超级电容器。超级电容器在许多领域都有广阔的应用前景，如：便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源、应急后备电源等方面，特别是在电动汽车上的应用具有非常明显的优势。虽然电化学超级电容器得到了广泛的研究，但是由于电解液易分解，不适于高频率充放电，工作电压低，内电阻大，从而限制了它的应用领域。为解决这一问题，本课题研究了一种具有高储能密度的钛酸钡基瓷粉。由于电容器的存储能力取决于介电常数和介电强度，本课题组首次提出了离子的扩散行为对介电性能的重要影响，并基于离子扩散机理设计和制备了由两种成分不同的钛酸钡基铁电相包覆而成的纳米粉晶，不仅避免了传统固相法中混入大量非铁电相导致介电常数降低的缺点，而且还能大幅度提高介电常数；通过在粉晶表面沉积ZnO以抑制晶粒生长、吸收晶界缺陷，从而提高材料的介电强度，最终实现提高材料存储能力的目的。本项目以廉价的无机盐为原料，采用水热法制备Ba0.985Bi0.1O3-BaTi0.9Zr0.1O3、BaTi0.9Zr0.1O3-Ba1-xSnxTiO3、Bi-BaTiO3、Ba0.985Bi0.01TiO3-BaMnxTi1-xO3、(Na0.5Bi0.5)TiO3-Ba0.7Sr0.3Sn0.02Ti0.98O3、Ba0.97Bi0.02TiO3-Ba1-xMgxSn0.02Ti0.98O3、xNa0.5Bi0.5TiO3-(1-x)Ba0.66Mg0.04Sr0.3TiO3等几十个系列纳米钛酸钡基瓷粉，利用一步烧结法和两步烧结法制备陶瓷，通过对材料介电性能的测量和显微结构的表征，研究不同化学组成的物相之间离子的扩散行为，以及离子扩散对成分组成、微观形貌、材料密度以及介电性能的影响，在此基础上设计出具有高介电常数和高介电强度的电容器瓷料。得到最高介电常数超过42,430，介电强度为10kV，存储密度为5.37kJ/cm3。本项目的开展，有望制备出高能量存储密度的陶瓷叠层电容器（MLCC）材料，为目前亟待解决的能源存储问题提供理论参考和技术支持，对促进我国电子产品行业和电池行业的发展具有重要推动作用。