儲能用鐵電介質材料原理

      作為脈沖功率技術設備主體部分的高功率脈沖電源，為脈沖功率裝置的負載提供電磁能量，主要由初級能源、能量儲存系統(tǒng)、能量轉換和釋放系統(tǒng)組成。目前，主要有機械能儲能、電容器儲能、電化學儲能3種方式用于脈沖功率技術的能量儲存。相對于其它儲能器件，電容器儲能因為具有儲能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、性高、價格低廉以及較易實現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點，因此成為目前高功率脈沖電源中應用廣的儲能器件之一。

根據(jù)介質材料極化強度隨外場的變化規(guī)律，可以將儲能材料分為3大類:線性介質、鐵電介質和反鐵電介質。這3類介質材料的儲能原理和儲能密度(D-E，ε-E曲線)如圖2a～c所示。

BaTiO3基陶瓷

以BaTiO3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù)，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎材料，也是目前外應用廣泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下，材料的介電常數(shù)越高，電容器的比電容越大，越易于實現(xiàn)器件的小型化。許多研究結果表明，摻雜可以改善BaTiO3陶瓷的介電從而有利于儲能

電容器應用，可以摻雜的元素離子包括Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+和稀土離子的摻雜。表2為常用的高介電穩(wěn)定性BaTiO3鐵電陶瓷系統(tǒng)材料的配方，添加物種類及其測試的。

Ba(Ti1－xZrx)O3(BTZ)是BaTiO3基多層陶瓷電容器重要的材料體系之一。BaTiO3的高介電常數(shù)隨著Zr的引入得到進一步提高，且溫度穩(wěn)定性也得到進一步改善，達到了Z5U的標準。研究表明，在Mn摻雜的BZT中，要改善其介電老化需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報導了一種具有良好溫度穩(wěn)定性的高介電常數(shù)、高電阻率的BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷材料。用該陶瓷制作的單介電層電容器室溫73kV/mm時的儲能密度達到6.1J/cm3，這顯著高于X7R商用電容器的相應。并且，該電容器在300℃仍保持高儲能密度，從而具有高儲能密度高溫電容器的應用潛力。

SrTiO3基陶瓷

SrTiO3基陶瓷具有高介電常數(shù)，低介電損耗和穩(wěn)定的溫度、頻率和電壓特性，是用于制備大容量陶瓷晶界層電容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不僅具有優(yōu)良的介電和顯著的伏安非線性特性，而且具有吸收1000～3000A/cm2這樣較高電涌的能力，所以該材料兼有大容量電容器和壓敏電阻器的功能。SBBT陶瓷屬于SrTiO3系，是在SrTiO3-m(Bi2O3·nTiO2)系(簡稱SBT)陶瓷的基礎上加入BaTiO3等燒制而成的，具有介電常數(shù)大，介質損耗小，擊穿場強高的特點。

TiO2陶瓷

TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強度(～350kV/cm)和較高介電常數(shù)(～110)，從而具有可觀的儲能密度。研究表明，納米晶TiO2陶瓷比粗晶制備的TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強度(*高可達2200kV/cm)。