储能用铁电介质材料

　　作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源，为脉冲功率装置的负载提供电磁能量，主要由初级能源、能量储存系统、能量转换和释放系统组成。目前，主要有机械能储能、电容器储能、电化学储能3种方式用于脉冲功率技术的能量储存。相对于其它储能器件，电容器储能因为具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，因此成为目前高功率脉冲电源中应用广的储能器件之一。
 

　　根据介质材料极化强度随外场的变化规律，可以将储能材料分为3大类:线性介质、铁电介质和反铁电介质。这3类介质材料的储能原理和储能密度(D-E，ε-E曲线)如图2a～c所示。

BaTiO3基陶瓷
 

　　以BaTiO3陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常数，是制造铁电陶瓷电容器的基础材料，也是目前外应用广泛的电子陶瓷材料之一。在介电层厚度确定的情况下，材料的介电常数越高，电容器的比电容越大，越易于实现器件的小型化。许多研究结果表明，掺杂可以改善BaTiO3陶瓷的介电性能从而更有利于储能
 

　　电容器应用，可以掺杂的元素离子包括Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+和稀土离子的掺杂。表2为常用的高介电稳定性BaTiO3铁电陶瓷系统材料的配方，添加物种类及其测试的性能。

　　Ba(Ti1-xZrx)O3(BTZ)是BaTiO3基多层陶瓷电容器重要的材料体系之一。BaTiO3的高介电常数随着Zr的引入得到进一步提高，且温度稳定性也得到进一步改善，达到了Z5U的标准。研究表明，在Mn掺杂的BZT中，要改善其介电老化性能需要尽可能提高退火过程中的氧分压。近报导了一种具有良好温度稳定性的高介电常数、高电阻率的BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷材料。用该陶瓷制作的单介电层电容器室温73kV/mm时的储能密度达到6.1J/cm3，这显著高于X7R商用电容器的相应性能。并且，该电容器在300℃仍保持高储能密度，从而具有高储能密度高温电容器的应用潜力。
 

　　SrTiO3基陶瓷
 

　　SrTiO3基陶瓷具有高介电常数，低介电损耗和稳定的温度、频率和电压特性，是用于制备大容量陶瓷晶界层电容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不仅具有优良的介电性能和显著的伏安非线性特性，而且具有吸收1000～3000A/cm2这样较高电涌的能力，所以该材料兼有大容量电容器和压敏电阻器的功能。SBBT陶瓷属于SrTiO3系，是在SrTiO3-m(Bi2O3·nTiO2)系(简称SBT)陶瓷的基础上加入BaTiO3等烧制而成的，具有介电常数大，介质损耗小，击穿场强高的特点。
 

　　TiO2陶瓷
 

　　TiO2陶瓷具有高的耐击穿强度(～350kV/cm)和较高介电常数(～110)，从而具有可观的储能密度。研究表明，纳米晶TiO2陶瓷比粗晶制备的TiO2陶瓷具有更高的耐击穿强度(*高可达2200kV/cm)。