BaTiO 3 -BiMeO 3 基储能陶瓷的制备与性能研究
发布时间：2022-01-05 10:30
随着脉冲功率技术向高重复频率脉冲功率、小型化和高可靠方向发展,脉冲电容器作为脉冲功率技术中的核心储能元件则需要具备更高的储能密度和功率密度。介质材料作为脉冲电容器的核心部件,它直接决定了脉冲电容器的性能。陶瓷介质材料由于其超高的功率密度、快速充放电能力、较宽的温度和频率使用范围以及高循环寿命等特点被认为是最佳的储能介质材料。但目前陶瓷介质材料所展现出来的储能密度仍相对较低。因此,开发具有更高储能密度和能量效率的储能陶瓷材料是实现脉冲功率系统小型化和集成化的当务之急。BaTiO3基陶瓷由于其较高的介电常数和极化强度被广泛研究其在储能方面的潜力。本文选用BaTiO3作为研究对象,通过成分改性致力于开发一种具有高储能密度和能量效率的储能陶瓷材料。具体研究内容如下:1.在所研究的组成范围（0.04～0.20）内,Bi（Zn1/2Zr1/2）O3可与BaTiO3完全固溶,形成了单一的钙钛矿结构。对XRD进行精修和Raman光谱分析表明,Bi（Zn1/2Zr1/2）O3的掺入使BaTiO3从四方相转变为赝立方相,Bi3+和（Zn0.5Zr0.5）3+分别进入BaTiO3基体中的A,B位。介电温谱测...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
脉冲功率系统主要组成部分
电子科技大学博士学位论文4图1-2脉冲功率技术的主要应用(来源：http://www.speg.hk/Technological/26.html)1.2能量储存方式的分类和特点能量存储系统是脉冲功率系统中的重要组成部分。如何经济、安全、高效地储存能量是脉冲功率技术的研究热点之一。根据储能原理，能量储存可主要分为电感储能、机械储能、化学能储能和电容储能。电感储能也称为磁场储能，是将能量储存在线圈的磁场中，其储能密度取决于材料的磁导率和最大磁通密度，如公式(1-1)[15]：202rBW=(1-1)其中W为储能密度，B为磁通密度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率。相比于电容储能，电感储能拥有更高的储能密度。但是电感储能受断路开关技术较大的限制，其向负载转换能量时开断电路形成的高压强电流（104~106A），从而需要大容量的断路开关。与此同时，电感储能对负载的能量效率较低（不超过25%），
电子科技大学博士学位论文6实际充放电时间受外部因素的影响，比如负载电阻。相比于电池和燃料电池，介质电容器具有更高的充放电速率和更高的功率密度。这是因为电容器通过束缚充电元件的位移来储存能量，而电池和燃料电池通过化学反应来储存能量。然而，介质电容器的能量密度相对较低。高能量密度介质将显著的减小装置体积（提高体积效率），从而使许多需要小型化、轻重量、低成本和易于集成的应用程序受益。此外，如果能提高介质电容器的能量密度，使其与电化学电容器甚至电池的能量密度相当，那么介质电容器的应用范围将进一步拓宽。因此，提升介质电容器的储能密度是目前的研究热点和难点。图1-3不同储能装置的Ragone图[17]早期的介质电容器是基于如浸蜡纸和云母等介质。目前，用于大功率应用的商用固态电容器以聚合物和介电陶瓷为主，但其能量密度通常小于2J/cm3。一般来说，陶瓷具有高介电常数但低击穿场强(BDS)，聚合物具有高击穿场强但介电常数低。由于聚合物具有较低的介电常数，在实际应用中，聚合物通常被制备成微米或亚微米厚度的薄膜，并叠加成多层结构，以获得较高的电容。但是，聚合物自身的熔点较低，其应用温度一般不超过100°C。再者，在非常高的电场作用下，聚合物基薄膜电容器的漏电流会由于其充满陷阱的空间电荷，肖特基或弗兰克尔缺陷而迅速增大。因此，聚合物基薄膜电容器在高电场作用下无法保持较高的能量效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国脉冲功率科技进展简述[J]. 丛培天. 强激光与粒子束. 2020(02)
[2]4 MV/80 kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展[J]. 魏浩,尹佳辉,张鹏飞,孙凤举,邱爱慈,梁天学,曾江涛,姜晓峰,王志国,孙江,刘文元,呼义翔. 强激光与粒子束. 2020(02)
[3]新型复合脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤关键技术及临床应用研究进展[J]. 姚陈果. 高电压技术. 2018(01)
[4]电除尘技术发展与应用[J]. 闫克平,李树然,郑钦臻,周靖鑫,黄逸凡,刘振. 高电压技术. 2017(02)
[5]脉冲功率技术综述(续)[J]. 王莹. 电气技术. 2009(05)
[6]脉冲功率技术综述[J]. 王莹. 电气技术. 2009(04)
[7]脉冲功率技术的研究现状和发展趋势综述[J]. 郑建毅,何闻. 机电工程. 2008(04)
[8]脉冲功率技术在短波长气体激光器中的应用[J]. 赵永蓬,杨大为,王骐,于俊华. 强激光与粒子束. 2007(06)
博士论文
[1]高温稳定型MLCC用介质陶瓷材料的制备、结构与性能研究[D]. 姚国峰.清华大学 2012
[2]温度稳定型MLCC瓷料的研制及其改性机理研究[D]. 唐斌.电子科技大学 2008
[3]亚微米BaTiO3 X7R MLC细晶陶瓷介质材料的介电性能研究[D]. 李玲霞.天津大学 2003
本文编号：3570191
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
脉冲功率系统主要组成部分
电子科技大学博士学位论文4图1-2脉冲功率技术的主要应用(来源：http://www.speg.hk/Technological/26.html)1.2能量储存方式的分类和特点能量存储系统是脉冲功率系统中的重要组成部分。如何经济、安全、高效地储存能量是脉冲功率技术的研究热点之一。根据储能原理，能量储存可主要分为电感储能、机械储能、化学能储能和电容储能。电感储能也称为磁场储能，是将能量储存在线圈的磁场中，其储能密度取决于材料的磁导率和最大磁通密度，如公式(1-1)[15]：202rBW=(1-1)其中W为储能密度，B为磁通密度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率。相比于电容储能，电感储能拥有更高的储能密度。但是电感储能受断路开关技术较大的限制，其向负载转换能量时开断电路形成的高压强电流（104~106A），从而需要大容量的断路开关。与此同时，电感储能对负载的能量效率较低（不超过25%），
电子科技大学博士学位论文6实际充放电时间受外部因素的影响，比如负载电阻。相比于电池和燃料电池，介质电容器具有更高的充放电速率和更高的功率密度。这是因为电容器通过束缚充电元件的位移来储存能量，而电池和燃料电池通过化学反应来储存能量。然而，介质电容器的能量密度相对较低。高能量密度介质将显著的减小装置体积（提高体积效率），从而使许多需要小型化、轻重量、低成本和易于集成的应用程序受益。此外，如果能提高介质电容器的能量密度，使其与电化学电容器甚至电池的能量密度相当，那么介质电容器的应用范围将进一步拓宽。因此，提升介质电容器的储能密度是目前的研究热点和难点。图1-3不同储能装置的Ragone图[17]早期的介质电容器是基于如浸蜡纸和云母等介质。目前，用于大功率应用的商用固态电容器以聚合物和介电陶瓷为主，但其能量密度通常小于2J/cm3。一般来说，陶瓷具有高介电常数但低击穿场强(BDS)，聚合物具有高击穿场强但介电常数低。由于聚合物具有较低的介电常数，在实际应用中，聚合物通常被制备成微米或亚微米厚度的薄膜，并叠加成多层结构，以获得较高的电容。但是，聚合物自身的熔点较低，其应用温度一般不超过100°C。再者，在非常高的电场作用下，聚合物基薄膜电容器的漏电流会由于其充满陷阱的空间电荷，肖特基或弗兰克尔缺陷而迅速增大。因此，聚合物基薄膜电容器在高电场作用下无法保持较高的能量效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国脉冲功率科技进展简述[J]. 丛培天. 强激光与粒子束. 2020(02)
[2]4 MV/80 kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展[J]. 魏浩,尹佳辉,张鹏飞,孙凤举,邱爱慈,梁天学,曾江涛,姜晓峰,王志国,孙江,刘文元,呼义翔. 强激光与粒子束. 2020(02)
[3]新型复合脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤关键技术及临床应用研究进展[J]. 姚陈果. 高电压技术. 2018(01)
[4]电除尘技术发展与应用[J]. 闫克平,李树然,郑钦臻,周靖鑫,黄逸凡,刘振. 高电压技术. 2017(02)
[5]脉冲功率技术综述(续)[J]. 王莹. 电气技术. 2009(05)
[6]脉冲功率技术综述[J]. 王莹. 电气技术. 2009(04)
[7]脉冲功率技术的研究现状和发展趋势综述[J]. 郑建毅,何闻. 机电工程. 2008(04)
[8]脉冲功率技术在短波长气体激光器中的应用[J]. 赵永蓬,杨大为,王骐,于俊华. 强激光与粒子束. 2007(06)
博士论文
[1]高温稳定型MLCC用介质陶瓷材料的制备、结构与性能研究[D]. 姚国峰.清华大学 2012
[2]温度稳定型MLCC瓷料的研制及其改性机理研究[D]. 唐斌.电子科技大学 2008
[3]亚微米BaTiO3 X7R MLC细晶陶瓷介质材料的介电性能研究[D]. 李玲霞.天津大学 2003
本文编号：3570191
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