本项发明涉及一种新型锂钽铌铋酸钾储能陶瓷及其制备技术与应用,该技术属于先进储能材料领域。该储能陶瓷的化学组成为(K1‑xLix)[(Ta0.63Nb0.37)1‑xBix]O3,具有独特的能量存储特性。
背景技术
随着全球人口的不断增长,化石能源资源的需求愈发增大,全球环境与气候危机愈发严重,能源短缺将是未来需要面对的主要问题。因此,储能将作为未来发展重要的一环。目前,由于固体燃料电池具有最高的能量密度,因此被广泛应用与实际生活之中,但由于其电荷载流子迁移速度慢无法满足在高压(数百到数千伏)下工作。而电介质陶瓷电容器与其相比具有更高的功率密度和更快的充放电速率,这些特性使电介质陶瓷电容器具有更大的发展前景。当前,铅基电介质陶瓷电容器仍然是市场上的主流,但由于其会污染环境,对人体健康造成潜在损害,因此开发无铅电介质陶瓷电容器显得更为重要。目前,对于无铅电介质陶瓷电容器的研究主要集中于BaTiO3
(BT)、Na0.5
Bi0.5
TiO3
(NBT)、BiFeO3
(BF)和K0.5
Na0.5
NbO3
(KNN)等体系。然而,这些无铅陶瓷电容器的储能密度与储能效率偏低,使其无法在大功率储能器件中受到广泛的应用。因此,研究与开发具有高储能密度与高储能效率的新型无铅电介质陶瓷电容器显得更为重要。
通常来说,为了达到高能量存储密度,材料需要具备较大的饱和极化强度、较高的击穿强度以及较低的剩余极化强度。这些特性共同作用,能够有效提升材料的能量存储效率。
不同的基体,有些基体可能本身就会体现出储能特性,而有些基体则会表现出压电,铁电,这些基体往往有着高极化强度和高的剩余极化强度,普通的掺杂难以实现将这种基体转换为储能材料,例如KNN(铌酸钾钠),PZT(锆钛酸铅),AgNbO3等等。在这些基体中含铅的对环境有污染,而KNN虽然有着可以替代PZT的趋势但是通过如何调控从而使其具有优异的储能性能也是一个极大的挑战(目前往往通过引入大量其他元素实现储能特性,较为复杂)。而有些基体可能怎么调控也难以实现优异的储能性能。
钽铌酸钾是一种典型的无铅铁电材料,然而其在室温下具有较大的剩余极化强度并且抗击穿场强较低,因此,一直以来其在储能方面并未表现出良好的特性。
实现思路