高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用制造技術

本發明專利技術涉及高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用，按摩爾比25.6BaO?6.4R

【技術實現步驟摘要】
高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用
本專利技術涉及電介質儲能材料領域，尤其是涉及一種高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料及其制備和應用。
技術介紹
隨著化石燃料的持續消耗與能源需求的不斷增加，能源危機步步緊逼，開發新能源與能源存儲備受關注。能源存儲對儲能設備的儲能密度與利用效率都具需求，因此性能優良的儲能材料及儲能器件成為材料科學研究的重點。儲能電容器由于其儲能密度高、利用率高、充放電速度快、性能穩定等優點成為常用的高儲能電路元器件，并成為脈沖功率技術中的主要儲能元件，應用于混合動力汽車、電磁軌道炮武器、全電動軍艦等國防及現代工業領域中。而隨著科學技術的發展與時代的進步，在維持高儲能的同時實現小型化、輕型化已成為工業發展的需求，因此高儲能密度的電介質材料應運而生。儲能密度與儲能介質的介電常數和擊穿強度有關，而放電效率又對其損耗有所要求，近來，在諸多儲能材料中，線性儲能材料由于其相對高的儲能密度與功率密度而備受關注。中國專利CN105271761A公開了高儲能密度的鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料及其制備和應用，按配方配料后，鈮酸鹽基玻璃陶采用高溫熔融-快冷急技術制得透明鈮酸鹽玻璃；然后通過可控析晶制備得到高儲能密度的鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料。受控析晶制備的玻璃陶瓷材料雖然具有較高的介電常數，但其擊穿也大幅降低，最佳擊穿強度為1020.47kV/cm，其最大儲能密度可達5.67J/cm3，仍相對較低。由于線性材料的儲能密度計算為：W＝1/2ε0εrE2，儲能密度正比于擊穿強度的平方，因此提高擊穿可獲得更高的儲能密度。本專利所制的鈮硅基純玻璃儲能材料，具有較商業玻璃更高的介電常數，及較現有玻璃陶瓷材料更大的擊穿強度，最佳擊穿強度可達3417.8kV/cm，大大提高了儲能密度，最佳可達11.06J/cm3。另外，玻璃儲能材料具有更好的機械加工性能，有利于進一步的加工與應用。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，按摩爾比25.6BaO-6.4R(2)O-32Nb2O5-36SiO2進行配料，所述的R為堿金屬或堿土金屬。所述的堿金屬Li、Na、K或Na1/2K1/2。所述的堿土金屬為Ba。該玻璃儲能材料的玻璃網絡結構由[NbO6]-及[SiO4]基團組成，網絡調整體為網絡間隙中的堿土金屬離子Ba2+，及堿金屬離子Li+、Na+或K+，游離金屬離子中和[NbO6]-的電價或與非橋氧結合。高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料的制備方法，采用以下步驟：(1)以BaCO3、R2CO3、Nb2O5和SiO2為原料，按摩爾比25.6BaO-6.4R(2)O-32Nb2O5-36SiO2進行配料，其中R為Ba、Li、Na、K或Na1/2K1/2；(2)將步驟(1)的配料經球磨混料后，烘干，并進行高溫熔融，制得高溫熔體；(3)將步驟(2)制得的高溫熔體澄清數小時后，澆注至預熱的金屬模具中，去應力退火，制得透明玻璃；(4)將步驟(3)制得的玻璃切割成厚度為0.9～1.2mm的玻璃薄片，進行研磨拋光，即得鈮硅基玻璃儲能材料。步驟(1)中各原料純度大于99.95wt％。步驟(2)在混合時，添加酒精潤濕原料后，球磨混料20～30h，優選20～24h，烘干，即得混合料，高溫熔融的工藝條件為：在1500～1600℃下高溫熔融1～3h。步驟(3)中澄清條件為：在1500～1600℃下恒溫澄清1～3h，去應力退火的溫度為550～650℃，優選600～650℃，時間為4～7h，優選5h。高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料可以在儲能電容器中的應用。本專利技術基于25.6BaO-6.4R(2)O-32Nb2O5-36SiO2(mol.％)配料，其中R為Ba、Li、Na、K或Na1/2K1/2；以[NbO6]-優化[SiO4]玻璃網絡結構，并調整玻璃網絡外體，所得玻璃相比于商業玻璃具有較高的介電常數，相比于現有玻璃陶瓷材料具有可觀的耐擊穿場強，該組分的配比是假設了Nb全部以[NbO6]-的結構與[SiO4]形成玻璃網絡，R+與R2+恰好中和其電荷，當R為Na1/2K1/2時，耐擊穿場強達到最優值3417.8kV/cm，理論儲能密度達到較大值為11.06J/cm3。與現有技術相比，本專利技術具有以下特點：1)原料來源容易，制備方法簡單，無需復雜的后處理步驟，經濟適用；2)體系簡單，具有優良的耐擊穿性能，良好的溫度穩定性，儲能密度較高；3)所制得的鈮硅基玻璃儲能材料具有良好的機械加工性能，便于后期加工應用。附圖說明圖1為實施例3制得的Ba-Na-Nb-Si玻璃儲能材料的X射線衍射分析圖(XRD)；圖2為實施例1～5制得的鈮硅基玻璃儲能材料的Raman光譜圖；圖3為實施例1～5制得的鈮硅基玻璃儲能材料的介電溫譜圖；圖4為實施例1～5制得的鈮硅基玻璃儲能材料的介電損耗圖；圖5為實施例1～5制得的鈮硅基玻璃儲能材料的耐擊穿場強的Weibull分布圖；具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本專利技術，但不以任何形式限制本專利技術。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本專利技術的保護范圍。在整個說明書中所使用的縮寫具有下述含義，除非文中明顯另有所指：℃＝攝氏度，kV＝千伏特，cm＝厘米；mol＝摩爾，h＝小時；min＝分鐘，mol％＝摩爾百分比。各種原料和試劑均購自商業供應商，未經進一步純化，除非另有說明。易受潮的原料和試劑均存放于全密封瓶中，并直接使用，均未經過特殊處理。實施例1(1)以純度大于99.95wt％的BaCO3、Nb2O5和SiO2為原料配料，上述各組分的摩爾百分比為32％、32％和36％，加酒精潤濕并球磨混料24h后，烘干，在1520℃高溫熔化3h；(2)將步驟(1)獲得的高溫熔體在1520℃澄清2h后澆注至金屬模具中，在600℃溫度去應力退火5h，制得高儲能密度的鈮硅基玻璃陶瓷儲能材料；(3)將步驟(2)制得的玻璃切割獲得厚度為0.9mm的玻璃薄片。本實施例所制得的樣品的Raman光譜如圖2所示，介電性能如圖3所示，耐壓性能測試如圖4所示，儲能密度如表1所示。實施例2(1)以純度大于99.95wt％的BaCO3、Li2CO3、Nb2O5和SiO2為原料配料，上述各組分的摩爾百分比為25.6％、6.4％、32％和36％，經球磨混料24h后，烘干，在1500℃高溫熔化3h；(2)將步驟(1)獲得的高溫熔體在1500℃澄清2h后澆注至金屬模具中，在600℃溫度去應力退火5h，制得高儲能密度的鈮硅基玻璃陶瓷儲能材料；(3)將步驟(2)制得的玻璃切割獲得厚度為0.9mm的玻璃薄片。本實施例所制得的樣品的Raman光譜如圖2所示，介電性能如圖3所示，耐壓性能測試如圖4所示，儲能密度如表1所示。實施例3(1)以純度大于99.95wt％的BaCO3、Na2CO3、Nb2O5和SiO2為原料配料，上述各組分的摩爾百分比為25.6％、6.4％、32％和36％，經球磨混料24h后，烘干，在1520℃高溫熔化3h；(2)將步驟(1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，其特征在于，該儲能材料按摩爾比25.6BaO?6.4R

【技術特征摘要】
1.高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，其特征在于，該儲能材料按摩爾比25.6BaO-6.4R(2)O-32Nb2O5-36SiO2進行配料，所述的R為堿金屬或堿土金屬。2.根據權利要求1所述的高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，其特征在于，所述的堿金屬Li、Na、K或Na1/2K1/2。3.根據權利要求1所述的高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料，其特征在于，所述的堿土金屬為Ba。4.如權利要求1所述的高儲能密度的鈮硅基玻璃儲能材料的制備方法，其特征在于，該方法采用以下步驟：(1)以BaCO3、R2CO3、Nb2O5和SiO2為原料，按摩爾比25.6BaO-6.4R(2)O-32Nb2O5-36SiO2進行配料，其中R為Ba、Li、Na、K或Na1/2K1/2；(2)將步驟(1)的配料經球磨混料后，烘干，并進行高溫熔融，制得高溫熔體；(3)將步驟(2)制得的高溫熔體澄清數小時后，澆注至預熱的金屬模具中，去應力退火，制得透明玻璃；(4)將步驟(3)制得的玻璃切割成厚度為0.9～1.2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：翟繼衛，劉靜然，楊科，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：上海,31