一种高储能特性的钛酸铋钠-锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种高储能特性的钛酸铋钠

【技术实现步骤摘要】
一种高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及电子功能材料和器件
，具体涉及一种高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]多样化和规模化储能技术在电力系统中的广泛应用将成为未来发展的一个必然趋势。相比于其他类型的储能设备(电化学电池、超级电容器以及锂离子电池等)而言，电介质电容器具有微秒甚至纳秒级充放电速度、高功率密度、工作温度范围宽以及安全性好等优点，除了在传统脉冲能量领域(雷达，电磁脉冲，激光，反应堆等)的应用外，在电力电子学领域也具有众多应用(例如电动汽车，火车，飞机，军工近引擎电子系统等)，用来减少大气碳排量和延缓全球变暖现象，具有良好发展前景和广阔应用前景。
[0003]根据材料的状态，电介质材料大体可分为三类：即陶瓷、聚合物、薄膜。与块体材料相比，薄膜电容器的耐压强度高；与聚合物材料相比，薄膜电容器的极化更高，温度稳定性更好，因此其综合储能特性最好。电介质材料本身的能量存储密度较低，无法实现高续航能力，因此对其研究主要集中在提高其储能密度及可靠性的优化方面。如何进一步提高薄膜电容器的储能性能是一个亟待解决的关键问题，也是目前人们研究的重点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜及其制备方法与应用。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜，该电介质薄膜的化学组成为(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3，其中x＝0.3
‑
0.9。
[0006]优选地，所述的x为0.7。
[0007]优选地，所述的电介质薄膜的厚度为300
‑
400nm。
[0008]一种上述高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)按照组成的化学计量比和预设浓度称取硝酸铋，乙酸钠，乙酸钡，溶于乙二醇甲醚、乙酸和氨水的混合液中，并额外加入一定摩尔浓度的硝酸铋和乙酸锰，在加热下搅拌得到溶液A；
[0010](2)按照组成的化学计量比和预设浓度量取钛酸四丁酯，正丁醇锆，溶于乙二醇甲醚、乙酸和乙酰丙酮的混合液中，搅拌得到溶液B；
[0011](3)将溶液A和溶液B混合、搅拌、陈化后得到(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3前驱体溶液；
[0012](4)用旋涂法将步骤(3)中制得的前驱体溶液旋涂在清洗并干燥后的基片上，然后
在快速退火炉中进行退火结晶，重复旋涂
‑
退火步骤多次后得到所述的高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜。
[0013]优选地，步骤(1)中，额外加入5mol％的硝酸铋和2mol％乙酸锰。其中，5mol％的硝酸铋可弥补高温退火过程中Bi元素的挥发，从而减少薄膜中的氧空位，优化其储能特性；2mol％的乙酸锰的引入则可通过B位低价离子取代，降低薄膜漏电，进一步提高薄膜的储能密度和效率。
[0014]优选地，步骤(1)在加热下搅拌4小时得到溶液A。
[0015]优选地，步骤(1)和步骤(2)所述的预设浓度为0.1
‑
0.2M。
[0016]优选地，步骤(2)搅拌4小时得到溶液B。
[0017]优选地，步骤(3)陈化24小时后得到(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3前驱体溶液。
[0018]优选地，所述的基片为Pt(111)/Ti/SiO2/Si基片。
[0019]优选地，所述的基片依次用丙酮，蒸馏水和乙醇清洗，然后用高纯氮气将基片吹干。
[0020]进一步优选地，对基片进行清洗时，首先在丙酮中超声清洗10分钟，然后在蒸馏水中超声清洗10分钟，最后在乙醇中超声清洗10分钟。
[0021]优选地，步骤(4)所述的旋涂采用以下步骤：
[0022](a)在基片上旋转涂覆一层前驱体溶液，转速为3000
‑
4000转/秒，时间为30秒；
[0023](b)将步骤(a)后所得的薄膜依次在快速退火炉中350℃处理3分钟，580℃处理5分钟；
[0024](c)重复步骤(b)直至获得所需厚度的薄膜，制得高储能特性钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜。
[0025]优选地，使用溅射仪在电介质薄膜的表面镀直径为0.2mm大小的电极，制得薄膜电容器。
[0026]一种上述高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜的应用，将所述的电介质薄膜用于电容器领域。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]1.本专利技术电介质薄膜电容器具有高储能特性，并兼具优异的温度稳定性和抗疲劳特性；
[0029]2.本专利技术电介质薄膜电容器具有优异的储能性能，储能密度达到82J cm
‑3，储能效率为81％；
[0030]3.本专利技术通过溶液法实现了钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜的制备，克服了铅基压电薄膜在生产、使用和废弃过程中对人类和生态环境的危害，制备的薄膜电容器的储能特性显著提高，具有能密度大、储能效率高、热稳定性好、抗疲劳等优点，适于在脉冲能量领域和电力电子学领域的实际应用；
[0031]4.本专利技术将铁电体钛酸铋钠与弛豫铁电体锆钛酸钡进行固溶，获得二元弛豫铁电体(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3，使其兼具了钛酸铋钠极化强度高和锆钛酸钡击穿场强大的优点，有利于在薄膜电容器中获得优异的储能性能；
[0032]5.本专利技术涉及一种高储能特性的(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3薄膜电容
器，x值范围为0.3～0.9，在此范围内，二元固溶体(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜，其特征在于，该电介质薄膜的化学组成为(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3。2.根据权利要求1所述的高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜，其特征在于，所述的x＝0.3
‑
0.9。3.根据权利要求1所述的高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜，其特征在于，所述的电介质薄膜的厚度为300
‑
400nm。4.一种如权利要求1～3任一项所述的高储能特性的钛酸铋钠
‑
锆钛酸钡电介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照组成的化学计量比和预设浓度称取硝酸铋，乙酸钠，乙酸钡，溶于乙二醇甲醚、乙酸和氨水的混合液中，并额外加入一定摩尔浓度的硝酸铋和乙酸锰，在加热下搅拌得到溶液A；(2)按照组成的化学计量比和预设浓度量取钛酸四丁酯，正丁醇锆，溶于乙二醇甲醚、乙酸和乙酰丙酮的混合液中，搅拌得到溶液B；(3)将溶液A和溶液B混合、搅拌、陈化后得到(1
‑
x)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3‑
xBa(Zr
0.2
Ti
0.8
)O3前驱体溶液；(4)用旋涂法将步骤(3)中制得的前驱体溶液旋涂在清洗并干燥后的基片上，然后进行退火结晶，重复旋涂

【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，钱进，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：