摘要
随着储能技术和电力电子工业的不断发展，人们更倾向于高性能、小型化、轻量化的储能设备。陶瓷电介质电容器因其超高的功率密度、超快速的充放电速度和高可靠性等特点，被广泛应用于电子系统的关键元器件中。铌酸钾钠陶瓷因对环境友好、居里温度高、极化强度高等优点被视为是一种极具潜力的储能陶瓷材料。但是，铌酸钾钠陶瓷较大的剩余极化和较低的击穿场强限制了其储能性能。因此，本研究基于铌酸钾钠陶瓷，通过氧化物包覆、水热反应法引入ZnO、掺杂第二相组元Bi(Ni0.5Hf0.5)O3(BNH)等方法来改善陶瓷的储能性能。主要研究内容如下： 1.采用先液相混合，再原位分解，最后采用常规固相反应烧结法将CuO,Fe2O3,ZnO和Al2O3包覆在(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)表面，合成了0.9KNN-0.1CuO,0.9KNN-0.1Fe2O3,0.9KNN-0.1ZnO,0.9KNN-0.1Al2O3陶瓷。研究发现，CuO,Fe2O3,ZnO和Al2O3氧化物的相被检测到，此外除了CuO之外，其他氧化物均导致KNN晶格体积的减小。CuO的包覆形成了液相，有利于烧结，Fe2O3和Al2O3的包覆有利于KNN晶粒尺寸的减小，从而提升击穿性能。氧化物的包覆在一定程度上提高了KNN的弛豫行为。其次，氧化物的能带结构特点对击穿电流起到了抵抗作用，从而提高了击穿场强(EB)。结果表明，氧化物包覆层有利于击穿性能的提高，其中氧化锌的效果最佳，提升了51.71%。 2.采用水热反应法将ZnO引入KNN陶瓷中，制备了不同反应时间下的0.9(K0.5Na0.5)NbO3-0.1ZnO-xh(x=1.5,2.5,3,3.5)(KNN-Z-x)陶瓷。研究发现，ZnO被成功引入到KNN中，KNN-Z-3陶瓷具有较小的弛豫时间τ和较小的激活能Ea，因此具有由氧空位迁移引起的相对较强的弛豫行为。其次，ZnO的加入可以提高陶瓷的致密度、压电性能d33、击穿场强、饱和极化和极化差、储能密度和可回收储能密度，其中反应3h的增强效果最明显，体密度提高了7.06%；d33提高了30%；EB提高了80.98%。 3.采用传统固相法制备了(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Ni0.5Hf0.5)O3(x=0.15,0.17,0.20,0.25)陶瓷。研究发现，Bi(Ni0.5Hf0.5)O3完全扩散到KNN晶格中，形成稳定的固溶体，没有产生杂相。Bi(Ni0.5Hf0.5)O3的加入细化了陶瓷晶粒，增强了击穿场强。此外利用Bi3+的6p和O的2p轨道之间的杂化可以改善A位点的极性，诱导Pm增大；在B位点，Nb5+被(Ni0.5Hf0.5)3+取代，存在价态差和离子半径差，导致了局部随机场，增强了弛豫行为和极化性能，从而提升了陶瓷的储能性能。在x=0.17时，陶瓷获得最优的储能性能，总储能密度Wtot=1.375J/cm3,可回收储能密度Wrec=1.071J/cm3,储能效率η=77.89%，电场为184kV/cm。
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