一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料及其制备方法与流程

1.本发明属于电介质储能陶瓷电容器技术领域，具体涉及一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料及其制备方法。


背景技术：

2.由于社会的发展，能源消耗逐渐加剧，造成了不可再生能源的过度滥用。随之而来的是大量的环境问题，因此迫切需要寻找新的环境友好型储能材料。同时，介电陶瓷电容器由于具有功率密度高、充放电速率快、耐腐蚀性能好、热稳定性好等优点，成为新型储能材料的研究热点之一。学者们常将可恢复储能密度(w
rec
)、总储能密度(w
total
)和储能效率(η)作为衡量介电陶瓷储能性能的重要参数：
[0003][0004][0005][0006]
其中，p
max
是最大极化强度值，pr是剩余极化强度值，e是施加的电场强度。根据上述公式可知大的δp(p
max-pr)和高的击穿电场强度(bds)是获得高w
rec
的必备条件。作为储能电容器的介质材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷和弛豫铁电陶瓷。目前，用于储能方面应用的线性陶瓷体系主要有srtio3基陶瓷；铁电体陶瓷体系主要有batio3基陶瓷；而反铁电体陶瓷体系主要有pbzro3基陶瓷。弛豫铁电体陶瓷非常适合应用于储能领域，因为其具有高p
max
，小的pr和较高的bds，同时由于弛豫铁电体具有可靠的热稳定性、优越的功率密度和快速的充放电速率等特点令其同样适用于脉冲电容器领域应用。
[0007]
(na
0.5
bi
0.5
)tio3陶瓷(nbt)是一种钙钛矿结构的铁电材料，由于巨大的pr(38μc/cm2)和中等的bds(110kv/cm)限制了实际应用，但超过45μc/cm2的高p
max
令其成为储能材料的研究热点。为了改善nbt的弛豫特性，学者们利用a/b位成分调制进行了广泛的研究。但目前钛酸铋钠基储能陶瓷材料的组成普遍过于复杂，绝大多数钛酸铋钠基储能陶瓷研究均通过a/b位共掺杂提高w
rec
和构建复杂固溶体来实现，且往往需要在高电场下才能获得良好的储能特性。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料及其制备方法，以解决现有技术中钛酸铋钠基储能陶瓷材料的组成普遍过于复杂，且往往需要在高电场下才能获得良好的储能特性。
[0009]
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0010]
一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料，所述钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中，0.04≤x≤0.20。
[0011]
本发明的进一步改进在于：
[0012]
优选的，所述钛酸铋钠基陶瓷材料在室温且频率为10hz时，储能密度为1.59～2.83j/cm3，储能效率为56.34～76.74％。
[0013]
一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]
步骤1，按照化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且0.04≤x≤0.20；混合na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2，球磨后烘干、压块，预烧后得到块状固体，将块状固体粉碎后过筛，得到预烧粉体；
[0015]
步骤2，将预烧粉体球磨后烘干，过筛后得到原料粉体；
[0016]
步骤3，将原料粉体进行冷等静压，压片后烧结成瓷，制备出钛酸铋基陶瓷材料。
[0017]
优选的，步骤1中，球磨过程中，以无水乙醇为介质，球磨时间为22～24小时。
[0018]
优选的，步骤1中，烘干温度为80℃。
[0019]
优选的，步骤1中，预烧温度为800～950℃，预烧时间为3～5小时。
[0020]
优选的，步骤2中，球磨过程中以无水乙醇为介质，球磨时间为22～24h，烘干温度为80℃。
[0021]
优选的，步骤3中，冷等静压的压强为190～210mpa，保压时间为3～5分钟。
[0022]
优选的，步骤3中，烧结温度为1150～1200℃，烧结时间为2～5小时。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024]
本发明公开了一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料，该陶瓷材料选择准同型相界处的0.94(na
0.5
bi
0.5
)tio
3-0.06batio3(0.94nbt-0.06bt)陶瓷作为研究对象，0.94nbt-0.06bt陶瓷的p
max
值比纯nbt更高。仅在0.94nbt-0.06bt陶瓷的b位引入zr
4
。对于0.94nbt-0.06bt来说，zr
4
掺杂增强了弛豫铁电体的特性，zr
4
的引入可以一定程度上抑制pr和矫顽电场(ec)，提高样品的bds和η。由于zr
4
与ti
4
具有相同的价态且化学性质更稳定，因此适当取代zr
4
可有效降低漏电流。因此，本发明设计了(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3陶瓷，研究zr
4
掺杂对钛酸铋钠基陶瓷的结构、介电性能、弛豫铁电性能、储能性能和充放电性能的影响。
[0025]
进一步的，本发明材料在室温下得到了细长、回形面积小的电滞回线，获得了优异的储能密度和效率，储能密度达到1.59～2.83j/cm3，储能效率达到56.34～76.74％；并且本发明中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能密度和效率的温度稳定性和频率稳定性良好，在10hz、20～140℃下，其在100kv/cm电场强度下的储能密度保持在0.94～1.14j/cm3之间，储能效率保持在73～95％之间；在室温、1～100hz下，其在100kv/cm电场强度下的储能密度保持在0.91～1.03j/cm3之间，储能效率保持在67～71％之间，此外，x为0.16时，具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的电流密度可达519a/cm2，功率密度可达26mw/cm3,放电时间更是短至69.8ns。本发明中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能性能分别在20～100℃温度范围内内具有良好的稳定性，适用于较宽的工作温度范围和应用领域；且具有优异超高的电流密度和功率密度以及超快的放电速率，有望应用在先进储能领域。
[0026]
本发明还公开了一种低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，该制备方法将原料粉料混合均匀后进行干燥过筛，然后压制成型，后烧结，即可得到具有高储能性能和超快放电速率的低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料。本发明制备工艺简单易实现，所用原料中不含铅等污染性元素，对环境无污染，且所用原料中不含稀土元素和贵金属元素，原料价格低廉，适合工业化批量生产。
附图说明
[0027]
图1：所有实施例所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的xrd图；
[0028]
图2：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0029]
图3：实施例2所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0030]
图4：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0031]
图5：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0032]
图6：实施例5所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0033]
图7：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料于100kv/cm电场强度下，在20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃和140℃的电滞回线图(测试频率为10hz)；
[0034]
图8：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料于100kv/cm电场强度下，在1hz、2hz、5hz、10hz、20hz、50hz和100hz的电滞回线图(测试温度为室温)；
[0035]
图9：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的过阻尼放电曲线图；
[0036]
图10：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的欠阻尼放电曲线图；
[0037]
图11：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的放电能量密度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0039]
一种具有高储能性能和超快放电速率的低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料，其化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3(nbbtz)，其中，x表示摩尔分数，且0.04≤x≤0.20。
[0040]
该具有高储能性能和超快放电速率的低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料在室温和10hz的频率条件下，储能密度在1.59～2.83j/cm3之间，储能效率在
56.34～76.74％之间；在10hz、20～140℃下，实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在100kv/cm电场强度下的储能密度保持在0.94～1.14j/cm3之间，储能效率保持在73～95％之间；在室温、1～100hz下，实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在100kv/cm电场强度下储能密度保持在0.91～1.03j/cm3之间，储能效率保持在67～71％之间。此外，实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的电流密度可达519a/cm2，功率密度可达26mw/cm3，放电时间短至69.8ns。
[0041]
本发明的具有高储能性能和超快放电速率的低电场高储能和超快放电速率钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且0.04≤x≤0.20，以无水乙醇为介质，通过球磨22～24小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经800～950℃预烧3～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0043]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨22～24小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0044]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为190～210mpa，保压时间为3～5分钟；加压压制成圆片后在1150～1200℃保温2～5小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料；
[0045]
(4)将制得的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料进行x射线衍射测试；
[0046]
(5)将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后分别在不同温度和频率下测试其铁电性能，并进行储能特性计算，获得可恢复储能密度(w
rec
)、总储能密度(w
total
)和储能效率(η)。
[0047]
(6)将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.3mm的薄片，镀银电极，然后在室温和100kv/cm电场强度下测试其充放电性能，并进行放电特性计算，电流密度(cd)、功率密度(pd)和放电能量密度(w
dis
)的计算公式为：
[0048][0049][0050][0051]
其中，cd和pd分别表示电流密度和功率密度，i
max
表示最大电流，e表示电场强度，s表示电极面积，r表示负载电阻，v表示样品体积。
[0052]
通过以下给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但其不是对本发明的限定。
[0053]
实施例1
[0054]
本例钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.04。
[0055]
上述具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.04，以无水乙醇为介质，通过球磨22小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经800℃预烧3小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0057]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨22小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0058]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为190mpa，保压时间为3分钟；加压压制成圆片后在1150℃保温2小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料。
[0059]
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料进行x射线衍射测试，如图1，由xrd图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高。将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10hz频率下测试其铁电性能，如图2所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达1.59j/cm3，储能密度可达56.34％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。
[0060]
实施例2
[0061]
本例钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.08。
[0062]
上述具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0063]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.08，以无水乙醇为介质，通过球磨23小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经850℃预烧4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0064]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨23小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0065]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为200mpa，保压时间为4分钟；加压压制成圆片后在1150℃保温3小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料。
[0066]
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料进行x射线衍射测试，如图1，由xrd图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高。将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10hz频率下测试其铁电性能，如图3所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达2.18j/cm3，储能密度可达66.38％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。
[0067]
实施例3
[0068]
本例钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.12。
[0069]
上述具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以
下步骤：
[0070]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.12，以无水乙醇为介质，通过球磨24小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经900℃预烧4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0071]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨24小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0072]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为210mpa，保压时间为5分钟；加压压制成圆片后在1150℃保温4小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料。
[0073]
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料进行x射线衍射测试，如图1，由xrd图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高。将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10hz频率下测试其铁电性能，如图4所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达2.64j/cm3，储能密度可达76.74％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。
[0074]
实施例4
[0075]
本例钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.16。
[0076]
上述具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0077]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.16，以无水乙醇为介质，通过球磨24小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经950℃预烧4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0078]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨24小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0079]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为210mpa，保压时间为5分钟；加压压制成圆片后在1200℃保温4小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料。
[0080]
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料进行x射线衍射测试，如图1，由xrd图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，不含其他第二相，且结晶度高。将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10hz频率下测试其铁电性能，如图5所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达2.83j/cm3，储能密度可达73.89％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。
[0081]
如图7所示为本实施例储能陶瓷材料于10hz频率和100kv/cm电场强度条件下分别在20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃和140℃下的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷于10hz频率下在温度范围为20～140℃时，储能密度保持在
0.94～1.14j/cm3之间，储能效率保持在73.02～95.56％之间。如图8所示为本实施例储能陶瓷材料于室温和100kv/cm电场强度条件下分别在1hz、2hz、5hz、10hz、20hz、50hz、和100hz频率下的电滞回线图，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷材料于室温和100kv/cm电场强度条件下的储能密度保持在0.91～1.03j/cm3之间，储能效率保持在67.25～70.63％之间，这表明本实施例储能陶瓷材料的储能性能较高，并表现出较好的温度稳定性和频率稳定性。本实施例储能陶瓷材料在室温下储能特性见表1。表2为本实施例储能陶瓷材料于10hz频率和100kv/cm电场强度条件下分别在20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃和140℃下的储能特性。表3为本实施例储能陶瓷材料于室温和100kv/cm电场强度条件下分别在1hz、2hz、5hz、10hz、20hz、50hz和100hz频率下储能特性。
[0082]
将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.3mm的薄片，镀银电极，然后在室温和100kv/cm电场强度下测试其充放电性能，如图9所示为本实施例陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下测得的过阻尼放电曲线。如图10所示为本实施例陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下测得的欠阻尼放电曲线，由欠阻尼放电进行充放电特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温和100kv/cm电场强度下的电流密度可达519a/cm2，功率密度可达26mw/cm3。如图11所示为由本实施例陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下测得的过阻尼放电曲线计算得出的放电能量密度随时间的变化曲线图，进行充放电特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温和100kv/cm电场强度下的放电能量密度可达0.293j/cm3，放电时间短至69.8ns。表4为实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温和100kv/cm电场强度下的充放电特性。
[0083]
实施例5
[0084]
本例钛酸铋钠基陶瓷材料的化学式为：(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3，其中x表示摩尔分数，且x＝0.20。
[0085]
上述具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0086]
(1)按化学式(na
0.5
bi
0.5
)
0.94
ba
0.06
(ti
1-x
zr
x
)o3将分析纯的na2co3，bi2o3，baco3，tio2和zro2配料，其中x表示摩尔分数，且x＝0.20，以无水乙醇为介质，通过球磨24小时混合均匀，然后于80℃下烘干、过120目筛、压块，再经950℃预烧5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到预烧粉体；
[0087]
(2)将步骤(1)所得的预烧粉体以无水乙醇为介质，球磨24小时，然后于80℃下烘干，过120目筛后获得原料粉体；
[0088]
(3)将步骤(2)获得的原料粉体进行冷等静压，其中冷等静压的压强为210mpa，保压时间为5分钟；加压压制成圆片后在1200℃保温5小时烧结成瓷，得到该具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料。
[0089]
将制得的具有高储能性能和超快放电速率的钛酸铋钠基陶瓷材料进行x射线衍射测试，如图1，由xrd图谱可以看出本实施例所得到的陶瓷材料为纯钙钛矿结构，含有少量第二相为zro2，且结晶度高。将烧结好的样品加工成两面光滑、厚度约为0.2mm的薄片，镀金电极，然后在室温和10hz频率下测试其铁电性能，如图6所示为本实施例陶瓷材料在室温下测得的电滞回线，由电滞回线进行储能特性计算可得，本实施例储能陶瓷在室温下的储能密度可达2j/cm3，储能密度可达73.98％。本实施例储能陶瓷材料在室温下的储能特性见表1。
[0090]
表1实施例具有高储能性能和超快放电速率陶瓷材料在室温和10hz时储能特性
[0091][0092]
表2实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于10hz频率在不同温度下的储能特性
[0093][0094]
表3实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温条件在不同频率下的储能特性
[0095][0096]
表4实施例4具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料于室温和100kv/cm电场强度下的充放电特性
[0097][0098]
由表1可知，随着zr
4
固溶量的不断增加，本发明钛酸铋钠基储能陶瓷材料的剩余极化强度逐渐降低，且击穿场强表现出先增大后减小的趋势，在一定的配比下可以获得较高的储能密度和储能效率，储能密度和效率在室温下分别可达2.83j/cm3和73.89％；由表2可知，本发明中实施例4储能陶瓷材料在频率为10hz和电场强度为100kv/cm的条件下，在20～140℃温度下的储能密度可保持在0.94～1.14j/cm3，并且储能效率随着温度的升高从73.02％急剧提高到95.56％，储能性能的温度稳定性得到优化；由表3可知，本发明中实施例4储能陶瓷材料在室温和电场强度为100kv/cm的条件下，1～100hz频率下的储能密度可保持在0.91～1.03j/cm3，储能效率可保持在67.25～70.63％，储能密度和储能效率均没有较大波动，表现出较好的频率稳定性。由表4可知，实施例4钛酸铋钠基高储能和充放电性能陶瓷材料在室温和100kv/cm电场强度下的电流密度可达519a/cm2，功率密度可达26mw/cm3，放电时间短至69.8ns。通过以上实施例可以发现，控制zr
4
的固溶量，有效的克服了钛酸铋钠基陶瓷介质材料介电击穿场强和储能密度较低、介电损耗较大的缺点，所制备的钛酸铋钠基储能陶瓷介质材料表现出优异的储能性能，并且具有良好的温度和频率稳定性，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域，且具有较大的功率密度和超快的放电速率，有望应用于先进的储能系统。
[0099]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。