陶瓷儲能電容器課件

陶瓷儲能電容器介紹Clicktoaddtitleinhere1摘要：陶瓷儲能電容器由于具有比功率密度大、比能量密度大、充放電時間短、循環(huán)壽命長、溫度使用范圍廣等優(yōu)點，有可能成為新一代的儲能裝置，已成為各方關注的焦點。本文將簡單介紹陶瓷電容器的儲能原理及極化機制，從鈦酸鋇粉體的摻雜、粉體粒徑、擊穿電壓三方面分析了陶瓷儲能電容器的關鍵技術。關鍵詞：儲能，關鍵技術，陶瓷電容器引言迫于石油資源與環(huán)保等方面的壓力，近年各國都在大力發(fā)展電動汽車，而電動汽車的技術核心就是動力電池。作為電動汽車的動力電池，目前主要有鋰電池、鎳氫電池、燃料電池和超級電容器。電動汽車對電池的比功率密度、比能量密度、充放電時間、循環(huán)壽命、價格以及安全性等方面都有較高的要求，但是上述電池都有其自身的局限性。從上表可以看出，這些傳統(tǒng)電池都不能很好的達到電動汽車的要求，于是人們開始尋找各方面性能都比較優(yōu)異且價格適中儲能器件，而陶瓷電容器恰好具備滿足電動汽車各項要求的性能，成為科學研究的焦點。下表陶瓷儲能電容器與電池性能比較：1.陶瓷儲能電容器的原理陶瓷電容器的儲能分別與電容量和擊穿電壓成正比，其定義式：

顯然，要獲得高儲能只有兩種途徑：由電容的定義可知，要增大電容的電容量，最終主要是由介電常數(shù)決定的。而提高擊穿電壓則是與其制作工藝密切相關。1.增大電容（C）2.提高擊穿電壓（V)2.陶瓷儲能電容器極化機制目前對于陶瓷儲能電器的極化機制，主要存在空間電荷極化假說和晶界層理論假說。2.1空間電荷極化

空間電荷極化一般存在不均勻的介質(zhì)中，由于外加電場，引起正負離子發(fā)生相對運動，介質(zhì)內(nèi)部個點離子濃度發(fā)生變化產(chǎn)生電偶極子。聚集在電極附近的電荷就是空間電荷(圖1）。

圖1.電極附近的空間電荷2.2晶界層理論[2]晶界層電容器（GBLC)是由高介電常數(shù)的晶粒相和高介電強度的晶界相組成的“芯-殼”結構，如圖3所示圖3.理想鈦酸鋇“芯-殼”結構

內(nèi)部的晶粒呈半導體性，外部晶界具有絕緣性質(zhì)，兩個晶粒和其間的絕緣境界相當于一個小電容，于是整個結構可以看成許多個小電容并聯(lián)和串聯(lián)(圖2)，使得整個晶界層電容器具有很高的介電常數(shù)。

圖4“芯-殼”結構等效圖該理論認為在鈦酸鋇基陶瓷外面包裹特定的金屬氧化物，然后在進行熱處理，該包裹物與鈦酸鋇形成低共熔相會沿著晶界出浸入，所形成的結構恰為上面所謂的“芯-殼”結構。3.陶瓷儲能電容器的關鍵技術3.1對鈦酸鋇粉體摻雜改性[3]

鈦酸鋇是典型的鈣鈦礦結構，其中Ba和O離子共同組成面心立方點陣，每個Ba離子被與其相鄰的12個O離子包圍，鈦離子則進入氧八面體的空隙中，也可以看成大離子A（ABO3）位于角上，B離子位于體心，O離子位于面心（圖3）。圖5.鈦酸鋇的鈣鈦礦結構3.2控制粒徑大小、粒徑分布和組分及相的均一性實踐表明，緊靠鈦酸鋇的摻雜改性，是不能同時實現(xiàn)鈦酸鋇介電常數(shù)和溫度系數(shù)改善。根據(jù)晶粒的尺寸效應，隨著晶粒尺寸[]增大，鈦酸鋇的介電常數(shù)是先增大后減小的。實驗表明，當鈦酸鋇的粒徑為1.116um時[4]，其介電常數(shù)最大。因此，在燒結過程中，控制鈦酸鋇粒徑大小是提高介電常數(shù)的一個重要途徑。此外均勻、的粒徑分布、均勻的組成分布、均一的相結構和致密的結構也是提高介電常數(shù)和改善溫度系數(shù)的重要因素。目前科研人員多采用溶膠-凝膠法來制備高純度、亞微米級的鈦酸鋇。3.3提高陶瓷超級電容器的擊穿電壓強度鈦酸鋇單晶的擊穿電壓強度可以達到3000KV/mm以上。采用高純度的鈦酸鋇粉體，將提高擊穿電壓強度。對半導體化的鈦酸鋇進行包裹，其目的就是提高擊穿電壓，從而達到提高電容器儲能的目的。此外,在燒結過程中，包裹物往往是以液相的形式存在，這會降低燒結溫度，提高陶瓷電容器的致密度，改善樣品的微觀結構。有人認為，認為包裹氧化鋁后形成大量氧空位，氧空位偏聚在鈦酸鋇和絕緣晶界附近，導致空間電荷極化加強，形成了晶界效應。晶界層起到阻擋載流子的運動，同時調(diào)整核殼比，控制晶界層厚度也能提高耐擊穿強度，減小電容的非線性效應。是否有晶界層電容存在仍處在探索階段。

吳廣州等[5]利用非均相沉淀法，用Cu(OH)2對BaTi03進行包裹，再經(jīng)高溫煅燒得到Cu／BaTi03復合粉體。崔愛莉等[6]使用溶膠．凝膠法在BaTi03表面包裹了5nm且分布均勻的Si02納米膜。實驗中將BaTi03粉體放入pH=10的硅溶膠中，其中Si02：BaTi03=2:98。經(jīng)過濾干燥后得Si02包覆BaTi03的粉體。莊志強等[7]用蒸餾水將BaTi03納米晶粉體制備成一定固相含量的BaTi03水溶膠，同時加入金屬可溶性鹽，根據(jù)非均勻形核機理，使反應形成的金屬氧化物水合物包覆于BaTi03粉體顆粒表面。

參考文獻[1]王婳懿，張繼華，楊傳仁，陳宏偉.陶瓷超級電容器的研究進展[J].電子元件與材料，2010，29（10）.[2]王力.高溫穩(wěn)定型MLCC陶瓷的制備與研究[D].電子科技大學，2010.[3]劉丹，蒲永平，石軒，陳凱.過渡金屬氧化物摻雜鈦酸鋇取代位置及價態(tài)的研究[J].中國陶瓷.2011，47（6）.[4]羅光華.晶粒尺寸對鈦酸鋇陶瓷的介電性能影響的研究[D].西華大學，2005.[5]吳廣州,王海龍,辛玲.包裹法制備BaTiO3晶界層陶瓷電容器工