新型电容器介电陶瓷储能材料

对新能源和可再生能源的开发探索，寻找提高能源利用效率的新方法，已成为21世纪的重要课题。能源的不断消耗，特别是各类不可再生能源的大量使用，已对全球气候、环境和人类健康造成极大的负面影响。因此，越来越多的新型绿色能源被逐渐地开发出来，将其高效转变为电能，以供人类生产和生活使用。同时，如何有效地储存利用好电能也变得越来越重要。

目前商用的储能器件大致可以分为电介质电容器、电化学电容器和电池（锂电池和燃料电池）三大类。其中电池具有较高的储能密度和较低的功率密度，电介质电容器具有低的储能密度和高的功率密度，而电化学电容器的储能密度和功率密度则介于电池和电介质电容器之间。与电化学电容器和锂离子电池相比，电介质电容器拥有较高的可释放功率密度、较快的充放电速率以及长的循环寿命，是重要的新型功率储能器件，在新能源汽车、智能电网以及脉冲功率系统等领域有巨大的应用潜力与商业化前景。电介质电容器这种固态储能方式安全可靠，但储能密度和效率不够理想，使其实际应用受限。要实现储能元件的小型化、轻量化，则必须提高电介质电容器的有效储能密度及其效率。

人们对传统成熟的蓄热供暖技术、气体水合物储能技术、化学能储存技术及其应用、电化学储能器件与原理及其关键材料和储能用碳基纳米材料等进行了广泛研究，获得了丰富的储能技术及其关键材料等方面的科学理论与知识，并开发出了众多实用的产品和技术。然而，对于电介质电容器及其关键储能材料的研究还不够系统和完善，尤其是对储能微晶玻璃和无铅陶瓷材料的研究较少。近年来的研究表明，无铅铌酸盐微晶玻璃和钛酸铋钠基陶瓷材料具有组成可调、环境友好、化学稳定性好、击穿强度高、能量转换效率高和储能密度大等诸多优点，是理想的电介质电容器用关键材料，在各种混合电动汽车、脉冲激光武器、电力、能源电子系统中扮演着越来越重要的角色，特别是在高能脉冲功率技术领域有不可替代的应用。因此，研究、开发用于电介质电容器的新型储能微晶玻璃与陶瓷材料具有十分重要的意义。

本书以作者承担的国家自然科学基金项目、广西自然科学基金项目及作者多年来在储能微晶玻璃与陶瓷材料研究开发方面取得的科研成果为基础，较系统地总结了国内外在储能微晶玻璃和陶瓷材料方面的成果，介绍了电容器与介电储能材料的概念、微晶玻璃和陶瓷储能材料研究进展、电介质储能材料结构与性能表征、不同微晶玻璃和陶瓷体系储能材料的制备和性能。全书共10章，包括电介质电容器与介电储能材料，介电微晶玻璃和陶瓷储能材料研究进展，电介质储能材料结构与性能表征，SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-SiO2微晶玻璃制备和性能，SrO-BaO-Nb2O5-B2O3微晶玻璃制备和性能，(La2O3,Sm2O3)-SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-ZnO微晶玻璃的制备和性能，SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-P2O5微晶玻璃的制备和性能,单离子掺杂的BNT-BT陶瓷结构、铁电和储能性能，复合离子掺杂的BNT-BKT陶瓷结构、铁电和储能性能和反铁电组元调控的BNT基陶瓷结构、铁电和储能性能。

本书由桂林电子科技大学陈国华、许积文著。其中陈国华编写第2章的2.1～2.4节、第3、4、5、6、7章，许积文编写第1、8、9、10章。作者在编写本书的过程中参考了大量文献，受益匪浅，并得到了国家自然科学基金和广西自然科学基金等项目的资助，在此，谨向所有提供帮助的文献作者和资助单位表示衷心的感谢。同时，也向在本书编写过程中提供大量帮助的研究生们表示谢意，他们是张文俊、刘涛涌、宋俊、郑佳、谢航、赵阳阳、卢晓鹏、霍子伟等。

介电储能微晶玻璃和陶瓷新材料的发展很快，新体系不断涌现，内容丰富，应用领域非常广泛。由于时间和作者水平有限，书中不妥之处在所难免，竭诚希望使用本书的教师、研究生、本科生及其他科技工作者批评指正。

著者

2020年10月于桂林

《新型电容器介电陶瓷储能材料》以作者多年来在储能微晶玻璃与陶瓷材料研究开发方面取得的科研成果为基础，较系统地总结了国内外在储能玻璃和陶瓷研究方面的*成果，具体内容包括：电介质电容器与介电储能材料，介电微晶玻璃和陶瓷储能材料研究进展，电介质储能材料结构与性能表征，不同系列储能微晶玻璃的制备、结构和性能，添加稀土微晶玻璃储能材料的研究，单掺和复合离子掺杂BNT-BT陶瓷结构、铁电和储能性能，以及添加反铁电组元的BNT基陶瓷结构、铁电和储能性能的研究及应用领域。

《新型电容器介电陶瓷储能材料》可供材料、电子、能源、环境等领域从事科学研究、新材料开发、生产和管理的工作者阅读与参考，也可作为材料科学与工程、新能源材料与器件、无机非金属材料工程、功能材料、应用物理学等专业的本科生和研究生的教学参考书。

第1章电介质电容器与介电储能材料

1.1引言001

1.2电介质电容器及应用003

1.2.1物理储能电容器003

1.2.2储能电容器的应用005

1.3电介质储能材料007

1.3.1按材质类型分类007

1.3.2按极化类型分类009

1.4储能密度的测试方法010

1.5影响电介质电容器性能的因素011

1.5.1影响储能密度的关键因素011

1.5.2固体电介质的击穿行为013

参考文献016

第2章介电微晶玻璃和陶瓷储能材料

2.1微晶玻璃概述018

2.1.1微晶玻璃的制备方法019

2.1.2玻璃的析晶原理020

2.1.3微晶玻璃的晶体生长022

2.1.4制造微晶玻璃常用的晶核剂及特点023

2.2介电储能微晶玻璃材料的研究进展024

2.2.1钛酸盐体系储能微晶玻璃024

2.2.2铌酸盐体系储能微晶玻璃025

2.3影响微晶玻璃材料储能性能的因素027

2.3.1微观结构027

2.3.2样品厚度028

2.3.3测试条件028

2.3.4界面极化029

2.4无铅储能陶瓷材料030

2.4.1无铅储能陶瓷材料简介030

2.4.2无铅储能陶瓷材料的制备033

2.4.3BNT基无铅储能陶瓷的研究进展036

2.4.4影响陶瓷储能性能的因素040

参考文献043

第3章电介质储能材料结构与性能表征

3.1电学性能050

3.1.1介电性能050

3.1.2铁电性能050

3.1.3击穿强度与韦伯分布051

3.1.4体积电阻率051

3.1.5交流阻抗谱051

3.1.6充放电性能052

3.1.7交直流电阻052

3.2差热分析(DTA)052

3.3物相分析(XRD)053

3.4结构分析(SEM)054

参考文献054

第4章SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-SiO2微晶玻璃制备和性能

4.1引言055

4.2添加CeO2微晶玻璃的制备和性能055

4.2.1CeO2对玻璃析晶动力学的影响056

4.2.2CeO2对微晶玻璃相组成和微观结构的影响059

4.2.3CeO2对微晶玻璃介电性能的影响061

4.2.4CeO2对微晶玻璃击穿强度的影响062

4.2.5CeO2对微晶玻璃电滞回线的影响063

4.2.6CeO2对微晶玻璃储能密度的影响064

4.3添加BaF2微晶玻璃的制备和性能065

4.3.1BaF2对玻璃析晶动力学的影响065

4.3.2BaF2对微晶玻璃微观结构的影响068

4.3.3BaF2对微晶玻璃介电性能的影响069

4.3.4BaF2对微晶玻璃击穿强度的影响070

4.3.5BaF2对微晶玻璃电滞回线及储能密度的影响071

4.4电极结构对微晶玻璃储能密度的影响071

4.4.1电极结构的设计071

4.4.2电极/微晶玻璃界面显微结构分析073

4.4.3电性能分析073

参考文献074

第5章SrO-BaO-Nb2O5-B2O3微晶玻璃制备和性能

5.1引言076

5.2微晶玻璃的制备076

5.3热处理温度对微晶玻璃结构和性能的影响077

5.3.1玻璃的DTA分析077

5.3.2热处理温度对微晶玻璃相组成的影响078

5.3.3热处理温度对微晶玻璃微观组织的影响078

5.3.4热处理温度对微晶玻璃介电性能的影响078

5.4Sr/Ba比对微晶玻璃结构和性能的影响080

5.4.1Sr/Ba比对微晶玻璃微观结构的影响080

5.4.2Sr/Ba比对微晶玻璃介电性能的影响082

5.4.3Sr/Ba比对微晶玻璃击穿强度的影响082

5.4.4Sr/Ba比对微晶玻璃铁电性能的影响082

5.4.5Sr/Ba比对微晶玻璃储能密度的影响084

5.5添加Gd2O3对微晶玻璃结构和性能的影响084

5.5.1添加Gd2O3微晶玻璃的制备084

5.5.2微晶玻璃的DTA分析085

5.5.3微晶玻璃的物相分析085

5.5.4微晶玻璃的SEM分析086

5.5.5介电性能分析087

5.5.6击穿强度分析088

5.5.7铁电性能分析089

参考文献090

第6章(La2O3,Sm2O3)-SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-ZnO微晶玻璃的制备和性能

6.1引言092

6.2基础玻璃的制备092

6.3微晶玻璃的结构和性能表征093

6.3.1热处理温度的确定093

6.3.2物相分析094

6.3.3稀土氧化物含量对微晶玻璃显微组织的影响096

6.3.4稀土氧化物含量对微晶玻璃介电性能的影响098

6.3.5稀土氧化物对击穿强度的影响098

6.3.6稀土氧化物微晶玻璃的阻抗谱分析099

6.3.7稀土氧化物含量对铁电性能的影响101

6.3.8稀土氧化物含量对微晶玻璃储能性能的影响103

参考文献107

第7章SrO-BaO-Nb2O5-B2O3-P2O5微晶玻璃的制备和性能

7.1引言108

7.2微晶玻璃的制备108

7.3P2O5对微晶玻璃相组成及显微结构的影响109

7.3.1P2O5对微晶玻璃相组成的影响109

7.3.2P2O5对微晶玻璃显微结构的影响110

7.4P2O5对微晶玻璃电性能的影响111

7.4.1P2O5对微晶玻璃介电性能的影响111

7.4.2P2O5对微晶玻璃击穿性能的影响111

7.4.3微晶玻璃的阻抗谱分析112

7.4.4P2O5对微晶玻璃铁电性能的影响113

7.4.5P2O5对微晶玻璃储能性能的影响114

参考文献116

第8章单离子掺杂的BNT-BT陶瓷结构、铁电和储能性能

8.1引言117

8.2储能陶瓷的制备118

8.3La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响120

8.3.1La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷相组成的影响120

8.3.2La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷显微结构的影响121

8.3.3La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷铁电性能的影响123

8.3.4La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷储能性能的影响126

8.3.5La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷介电性能的影响128

8.3.6La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷阻抗性能的影响131

8.3.7La、Zr掺杂对BNT-BT陶瓷电导率的影响132

8.4Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响133

8.4.1Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷相组成的影响133

8.4.2Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷显微结构的影响134

8.4.3Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷铁电性能的影响136

8.4.4Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷储能性能的影响139

8.4.5Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷介电性能的影响140

8.4.6Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷阻抗性能的影响142

8.4.7Sm、Hf掺杂对BNT-BT陶瓷电导率的影响142

8.5硝酸盐掺杂对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响144

8.5.1硝酸盐掺杂对BNT-BT陶瓷相结构、微观结构的影响144

8.5.2硝酸盐掺杂对BNT-BT陶瓷铁电与储能性能的影响147

8.5.3硝酸盐掺杂对BNT-BT陶瓷电导率和阻抗的影响149

8.6Bi/Na比对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响152

8.6.1Bi/Na比对BNT-BT陶瓷相结构、微观结构的影响153

8.6.2Bi/Na比对BNT-BT陶瓷铁电与储能性能的影响154

8.6.3Bi/Na比对BNT-BT陶瓷介电性能的影响155

参考文献157

第9章复合离子掺杂的BNT-BKT陶瓷结构、铁电和储能性能

9.1引言159

9.2陶瓷的制备160

9.3(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响160

9.3.1(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷相组成的影响160

9.3.2(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响161

9.3.3(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷铁电性能的影响162

9.3.4(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷储能性能的影响163

9.3.5(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响164

9.3.6(Al0.5Nb0.5)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷阻抗性能的影响165

9.4(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响167

9.4.1(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷相组成的影响167

9.4.2(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响168

9.4.3(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷铁电性能的影响169

9.4.4(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷储能性能的影响169

9.4.5(Mg1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响171

9.5(Sr1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响173

9.5.1(Sr1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷相组成的影响173

9.5.2(Sr1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响175

9.5.3(Sr1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷铁电和储能性能的影响175

9.5.4(Sr1/3Nb2/3)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响179

9.6(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响181

9.6.1(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷相组成的影响181

9.6.2(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响182

9.6.3(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷铁电性能的影响184

9.6.4(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷储能性能的影响185

9.6.5(Fe1/4Sc1/4Nb1/2)4 复合离子对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响186

参考文献187

第10章反铁电组元调控BNT基陶瓷结构、铁电和储能性能

10.1引言189

10.2储能陶瓷的制备190

10.3Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响190

10.3.1Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷相组成的影响190

10.3.2Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响192

10.3.3Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷铁电性能的影响193

10.3.4Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷储能性能的影响195

10.3.5Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷应变性能的影响195

10.3.6Cs2Nb4O11对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响197

10.4Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响199

10.4.1Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷相组成的影响199

10.4.2Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷显微结构的影响199

10.4.3Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷铁电性能的影响201

10.4.4Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷储能性能的影响203

10.4.5Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷应变性能的影响203

10.4.6Cs2Nb4O11对BNT-BT陶瓷介电性能的影响204

10.5Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷结构和性能的影响205

10.5.1Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷相组成的影响205

10.5.2Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷显微结构的影响206

10.5.3Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷铁电性能的影响207

10.5.4Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷储能性能的影响209

10.5.5Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷应变性能的影响210

10.5.6Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BT陶瓷介电性能的影响212

10.6Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷结构和性能的影响214

10.6.1Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷相组成的影响214

10.6.2Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷显微结构的影响214

10.6.3Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷铁电性能的影响215

10.6.4Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷储能性能的影响217

10.6.5Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷应变性能的影响218

10.6.6Ca0.3Sr0.7TiO3对BNT-BKT陶瓷介电性能的影响220

参考文献221

《新型电容器介电陶瓷储能材料》以作者多年来在储能微晶玻璃与陶瓷材料研究开发方面取得的科研成果为基础，较系统地总结了国内外在储能玻璃和陶瓷研究方面的*成果，具体内容包括：电介质电容器与介电储能材料，介电微晶玻璃和陶瓷储能材料研究进展，电介质储能材料结构与性能表征，不同系列储能微晶玻璃的制备、