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儲能用鐵電介質(zhì)材料原理

更新時間:2021-01-04      點(diǎn)擊次數(shù):2678

      作為脈沖功率技術(shù)設(shè)備主體部分的高功率脈沖電源,為脈沖功率裝置的負(fù)載提供電磁能量,主要由初級能源、能量儲存系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換和釋放系統(tǒng)組成。目前,主要有機(jī)械能儲能、電容器儲能、電化學(xué)儲能3種方式用于脈沖功率技術(shù)的能量儲存。相對于其它儲能器件,電容器儲能因為具有儲能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、性高、價格低廉以及較易實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點(diǎn),因此成為目前高功率脈沖電源中應(yīng)用的儲能器件之一。

根據(jù)介質(zhì)材料極化強(qiáng)度隨外場的變化規(guī)律,可以將儲能材料分為3大類:線性介質(zhì)、鐵電介質(zhì)和反鐵電介質(zhì)。這3類介質(zhì)材料的儲能原理和儲能密度(D-E,ε-E曲線)如圖2a~c所示。

 

BaTiO3基陶瓷

BaTiO3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù),是制造鐵電陶瓷電容器的基礎(chǔ)材料,也是目前外應(yīng)用泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下,材料的介電常數(shù)越高,電容器的比電容越大,越易于實(shí)現(xiàn)器件的小型化。許多研究結(jié)果表明,摻雜可以改善BaTiO3陶瓷的介電從而有利于儲能

電容器應(yīng)用,可以摻雜的元素離子包括Nd3+,Ca2+,Sr2+,La3+,Sn4+,Zr4+,Mg2+,Co3+,Nb5+,Mn4+和稀土離子的摻雜。表2為常用的高介電穩(wěn)定性BaTiO3鐵電陶瓷系統(tǒng)材料的配方,添加物種類及其測試的。

 

Ba(Ti1-xZrx)O3(BTZ)是BaTiO3基多層陶瓷電容器重要的材料體系之一。BaTiO3的高介電常數(shù)隨著Zr的引入得到進(jìn)一步提高,且溫度穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步改善,達(dá)到了Z5U的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明,在Mn摻雜的BZT中,要改善其介電老化需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報導(dǎo)了一種具有良好溫度穩(wěn)定性的高介電常數(shù)、高電阻率的BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷材料。用該陶瓷制作的單介電層電容器室溫73kV/mm時的儲能密度達(dá)6.1J/cm3,這顯著高于X7R商用電容器的相應(yīng)。并且,該電容器在300℃仍保持高儲能密度,從而具有高儲能密度高溫電容器的應(yīng)用潛力。

SrTiO3基陶瓷

SrTiO3基陶瓷具有高介電常數(shù),低介電損耗和穩(wěn)定的溫度、頻率和電壓特性,是用于制備大容量陶瓷晶界層電容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不僅具有優(yōu)良的介電和顯著的伏安非線性特性,而且具有吸收1000~3000A/cm2這樣較高電涌的能力,所以該材料兼有大容量電容器和壓敏電阻器的功能。SBBT陶瓷屬于SrTiO3系,是在SrTiO3-m(Bi2O3·nTiO2)系(簡稱SBT)陶瓷的基礎(chǔ)上加入BaTiO3等燒制而成的,具有介電常數(shù)大,介質(zhì)損耗小,擊穿場強(qiáng)高的特點(diǎn)。

TiO2陶瓷

TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強(qiáng)度(~350kV/cm)和較高介電常數(shù)(~110),從而具有可觀的儲能密度。研究表明,納米晶TiO2陶瓷比粗晶制備的TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強(qiáng)度(*高可達(dá)2200kV/cm)。

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