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儲能用鐵電介質材料
日期：2021-01-04瀏覽：2897次
作為脈沖功率技術設備主體部分的高功率脈沖電源，為脈沖功率裝置的負載提供電磁能量，主要由初級能源、能量儲存系統、能量轉換和釋放系統組成。目前，主要有機械能儲能、電容器儲能、電化學儲能3種方式用于脈沖功率技術的能量儲存。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、安全性高、價格低廉以及較易實現輕量化和小型化等優點，因此成為目前高功率脈沖電源中應用廣的儲能器件之一。
根據介質材料極化強度隨外場的變化規律，可以將儲能材料分為3大類:線性介質、鐵電介質和反鐵電介質。這3類介質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
以BaTiO3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎材料，也是目前外應用廣泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下，材料的介電常數越高，電容器的比電容越大，越易于實現器件的小型化。許多研究結果表明，摻雜可以改善BaTiO3陶瓷的介電性能從而更有利于儲能
電容器應用，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為常用的高介電穩定性BaTiO3鐵電陶瓷系統材料的配方，添加物種類及其測試的性能。
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的高介電常數隨著Zr的引入得到進一步提高，且溫度穩定性也得到進一步改善，達到了Z5U的標準。研究表明，在Mn摻雜的BZT中，要改善其介電老化性能需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報導了一種具有良好溫度穩定性的高介電常數、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時的儲能密度達到6.1J/cm3，這顯著高于X7R商用電容器的相應性能。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用潛力。
SrTiO3基陶瓷
SrTiO3基陶瓷具有高介電常數，低介電損耗和穩定的溫度、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良的介電性能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)陶瓷的基礎上加入BaTiO3等燒制而成的，具有介電常數大，介質損耗小，擊穿場強高的特點。
TiO2陶瓷
TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強度(～350kV/cm)和較高介電常數(～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陶瓷具有更高的耐擊穿強度(*高可達2200kV/cm)。
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