專(zhuān)利名稱(chēng)：液體復(fù)合電介質(zhì)材料的制作方法
液體復(fù)合電介質(zhì)材料相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2009年12月23日遞交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 12/646, 435的權(quán)益，該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 12/646，435要求2009年11月10日遞交的印度專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2748/CHE/2009的優(yōu)先權(quán)，將這兩個(gè)申請(qǐng)的內(nèi)容全部通過(guò)引用結(jié)合在本文中。
背景技術(shù)：
對(duì)于電化學(xué)電源的當(dāng)前研究和開(kāi)發(fā)努力通常主要集中于燃料電池、蓄電池和電化學(xué)電容器，并且涉及以相對(duì)低的成本實(shí)現(xiàn)高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命。然而，需要新類(lèi)型的系統(tǒng)，其防止在普通電池中損壞電極的電化學(xué)反應(yīng)，并且避免 在多單元蓄電池中單元平衡的要求，同時(shí)提供低的制造成本。還需要可靠的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
這里的實(shí)施例涉及一種液體復(fù)合電介質(zhì)材料(LCDM)，所述LCDM包括在有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料在40Hz具有大于10000或更大的介電常數(shù)(ε r)以及在40Hz具有I或更大的介電損耗(tan δ )。例如所述含金屬分散相材料包括準(zhǔn)同型相界(morphotropic phase boundary,即MPB)化合物。例如所述有機(jī)液相材料包括乙二醇。例如，所述LCDM具有小于lX10_3Acm_2的漏電流密度。例如所述LCDM是均相溶液。例如所述MPB化合物包括Pb、Zr和Ti。例如，所述MPB化合物包括鐵電鋯鈦酸鉛陶瓷。例如，所述MPB化合物包括Pb、Mg、Nb和Ti。例如，所述MPB化合物包括PbZrxTihO3,其中 O. 4 < X < O. 6。另一個(gè)實(shí)施例涉及一種電化學(xué)電容器，包括如上所述的LCDM。例如，所述電化學(xué)電容器具有1-100V的工作電壓和40HZ-10MHZ的工作頻率范圍。例如所述電化學(xué)電容器的單個(gè)電化學(xué)電容器的最大能量密度和功率密度分別大于lOOWhcc—1和IxIO5Wcc'例如所述最大能量密度和所述功率密度分別是約HOWhcc—1和約ZxIO5Wcc'另一個(gè)實(shí)施例涉及一種制造復(fù)合電介質(zhì)材料(LCDM)的方法，所述LCDM包括在有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，所述方法包括通過(guò)溶膠凝膠途徑形成含金屬分散相材料的粉末，以及將所述含金屬分散相材料的粉末散布在所述有機(jī)液相材料中以形成具有均相溶液的LCDC。例如，所述含金屬分散相材料包括準(zhǔn)同型相界(MPB)化合物。例如，所述有機(jī)液相材料包括乙二醇。例如所述MPB化合物包括鐵電錯(cuò)鈦酸鉛陶瓷。前述總結(jié)只是說(shuō)明性的，而不是以任意方式進(jìn)行限制。除了上述說(shuō)明性的方面、實(shí)施例和特征之外，另外的方面、實(shí)施例和特征通過(guò)參考附圖和以下詳細(xì)描述也將變得清楚明白。


圖I示出通過(guò)溶膠凝膠途徑準(zhǔn)備樣品PZT粉末的流程圖。圖2示出樣品PZT/DEG液體復(fù)合電介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介電損耗的(a)頻率相關(guān)性和(b)偏置電壓相關(guān)性。圖3示出樣品PZT/DEG液體復(fù)合電介質(zhì)材料的J-E特征。
具體實(shí)施例方式在以下詳細(xì)描述中參考附圖，所述附圖形成了描述的一部分。在附圖中，除非上下文另有規(guī)定，類(lèi)似的符號(hào)典型地表示類(lèi)似的部件。在詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求中描述的說(shuō)明性實(shí)施例并非意味著限制。在不背離這里 給出主題的精神和范圍的情況下，可以利用其他實(shí)施例或者可以進(jìn)行其他變化。應(yīng)該理解的是這里一般性描述并且在附圖中說(shuō)明的本公開(kāi)的方面可以按照多種不同的配置進(jìn)行排列、替代、組合、分離和設(shè)計(jì)，這里明確地考慮了這些內(nèi)容。術(shù)語(yǔ)“電介質(zhì)”或“電介質(zhì)材料”指的是根據(jù)與電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)相互作用使得所述材料能夠存儲(chǔ)電能的觀(guān)點(diǎn)考慮的大范圍的非金屬。因此，電介質(zhì)材料是氣體、液體和固體。電介質(zhì)材料是作為弱導(dǎo)電體的物質(zhì)，但卻是靜電場(chǎng)的有效支持者。如果在未阻止或中斷靜電通量線(xiàn)的同時(shí)保持相反的電荷極之間的電流流動(dòng)為最小值，則靜電場(chǎng)可以存儲(chǔ)能量。這種性質(zhì)在電容器中是有用的，尤其是在射頻時(shí)。電介質(zhì)材料也用于構(gòu)建射頻傳輸線(xiàn)。電介質(zhì)的性質(zhì)是其能夠在按照熱的形式耗散最小能量的同時(shí)支持靜電場(chǎng)的能力。介電損耗越低(作為熱的能量損耗的比例)，電介質(zhì)材料越有效率。另一個(gè)考慮是介電常數(shù)，其表示物質(zhì)集中靜電通量線(xiàn)的程度。具有低介電常數(shù)的物質(zhì)包括理想真空、干燥空氣和大多數(shù)純的干燥氣體(例如氦氣和氮?dú)?。具有適中介電常數(shù)的材料包括陶瓷、蒸餾水、紙、云母、聚乙烯和玻璃。金屬氧化物通常具有高介電常數(shù)。諸如氧化鋁之類(lèi)的高介電常數(shù)物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于它們可以使得制造具有小物理體積的高值電容器成為可能。但是，這些材料通常不能夠承受與諸如空氣之類(lèi)的低介電常數(shù)物質(zhì)一樣強(qiáng)烈的靜電場(chǎng)。如果電介質(zhì)兩端的電壓變得太大，也就是說(shuō)，如果靜電場(chǎng)變得太強(qiáng)烈，所述材料將突然開(kāi)始傳導(dǎo)電流。這種現(xiàn)象稱(chēng)作電介質(zhì)擊穿。在使用氣體或液體作為電介質(zhì)的部件中，如果電壓下降為小于臨界點(diǎn)則這種情況反轉(zhuǎn)。但是在包含固體電介質(zhì)的部件中，電介質(zhì)擊穿通常導(dǎo)致永久性損壞?！半娙荨被颉半娙萜鳌笔怯赏ㄟ^(guò)電介質(zhì)分離的一對(duì)導(dǎo)體組成的無(wú)源電子部件。當(dāng)在導(dǎo)體之間存在電勢(shì)差時(shí)，在電介質(zhì)中存在電場(chǎng)。該電場(chǎng)存儲(chǔ)能量并且在板之間產(chǎn)生機(jī)械力。在寬的、平的、平行的、狹窄分離的導(dǎo)體之間產(chǎn)生這種效果。理想電容器的特征在于以法拉為單位測(cè)量的單一恒定值電容。這是每一個(gè)導(dǎo)體上的電荷與導(dǎo)體之間電勢(shì)差之比。實(shí)踐中，板之間的電介質(zhì)通過(guò)少量的漏電流。導(dǎo)體和導(dǎo)線(xiàn)引入等效串聯(lián)電阻，并且電介質(zhì)具有導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱碾妶?chǎng)強(qiáng)度限制。術(shù)語(yǔ)“介電常數(shù)”指的是描述電場(chǎng)如何影響介質(zhì)以及如何被介質(zhì)影響的物理量，并且由材料響應(yīng)于所述場(chǎng)進(jìn)行極化的能力來(lái)確定，從而減小了材料內(nèi)部的總電場(chǎng)。因此，介電常數(shù)涉及材料傳送(或“允許”)電場(chǎng)的能力。已知常數(shù)Stl是自由空間的電常數(shù)或介電常數(shù)，并且具有值8.854，187，817X10_12F/m?！半娊橘|(zhì)介電常數(shù)”或“相對(duì)電介質(zhì)介電常數(shù)”(ε r)指的是電介質(zhì)材料相對(duì)于自由空間介電常數(shù)的介電常數(shù)，即靜態(tài)絕對(duì)介電常數(shù)。術(shù)語(yǔ)“介電常數(shù)”(ε r)指的是“電介質(zhì)介電常數(shù)”或“相對(duì)電介質(zhì)介電常數(shù)”(ε r);根據(jù)上下文，介電常數(shù)可以是靜態(tài)或頻率相關(guān)的相對(duì)電介質(zhì)介電常數(shù)。電介質(zhì)介電常數(shù)(ε J范圍是< 2000 (低),2000 < 5000 (中等)和> 10000 (非常高)。術(shù)語(yǔ)“介電損耗”指的是由電場(chǎng)產(chǎn)生熱形式的能量損耗引起的電介質(zhì)中的功耗。介電損耗也稱(chēng)作tan δ、耗散因子或損耗角正切。當(dāng)交流電(AC)通過(guò)電容器時(shí)，電流領(lǐng)先電壓90°。當(dāng)在電容器之間引入電介質(zhì)時(shí)，電介質(zhì)的分子不能立即與交流電場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。這些分子相位沒(méi)有與變化的電場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。將電流領(lǐng)先電壓的角度從90°減小為領(lǐng)先角度0。已知值90 0是損耗角，并且由符號(hào)δ表示。將功率因子定義為COS 0，并且將耗散因子定義為tanS。極性分子通常在一定的頻率下表現(xiàn)出高的電介質(zhì)功率損耗。在低頻時(shí)，偶極子能夠保持與電場(chǎng)變化同相，因此功率損耗較低。當(dāng)增加頻率時(shí)，達(dá)到了偶極子取向不能完全及時(shí)可達(dá)到的點(diǎn)，所述偶極子變?yōu)楫愊?，?dǎo)致內(nèi)耗并且產(chǎn)生熱。介電損耗是由電介質(zhì)在每一個(gè)周期從交流電場(chǎng)吸收的能量的量度。當(dāng)進(jìn)一步增加交流電場(chǎng)的頻率時(shí)，可能沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行實(shí)質(zhì)性上的偶極子移動(dòng)；因此可以減小介電損耗。介電損耗取決于溫度。

術(shù)語(yǔ)“阻抗”或“電阻抗”描述了對(duì)抗電流的量度。電阻抗將電阻概念擴(kuò)展到AC電路，不但描述了電壓和電流的相對(duì)幅度，而且也描述了相對(duì)相位。當(dāng)利用直流電(DC)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，在電阻抗和電阻之間沒(méi)有區(qū)別；可以將電阻看作是具有零相位角的阻抗。將阻抗定義為AC電路中電壓和電流的頻域之比。換句話(huà)說(shuō)，阻抗是在特定頻率ω針對(duì)單個(gè)復(fù)指數(shù)的電壓-電流比。通常，阻抗是復(fù)數(shù)，但是這種復(fù)數(shù)具有與電阻相同的單位，其SI單位是歐姆。對(duì)于正弦電流或電壓輸入，復(fù)數(shù)阻抗的極坐標(biāo)形式涉及電壓和電流的幅度和相位。具體地，復(fù)數(shù)阻抗的幅度是電壓幅度與電流幅度之比，復(fù)數(shù)阻抗的相位是電流領(lǐng)先電壓的相移。阻抗的倒數(shù)是導(dǎo)納(即導(dǎo)納是電流-電壓比，其通常帶有姆歐或西門(mén)子的單位)。術(shù)語(yǔ)電介質(zhì)材料中的“漏電流密度”(J)定義為移動(dòng)電荷(即電子)移動(dòng)通過(guò)每單位面積絕緣電介質(zhì)材料的隧穿。高漏電流意味著J > IxKT3AcnT2 ;中漏電流意味著J是IxKT3AcnT2的量級(jí)；以及低泄露電極意味著J < lxl(T3AcnT2。術(shù)語(yǔ)“擊穿電場(chǎng)”是發(fā)生電介質(zhì)材料的電阻迅速減小的電場(chǎng)。術(shù)語(yǔ)系統(tǒng)的“最大能量密度”是可以在電容器中每單位質(zhì)量、體積或面積存儲(chǔ)的最大能量。術(shù)語(yǔ)系統(tǒng)的“最大功率密度”是可以在電容器中每單位質(zhì)量、體積或面積存儲(chǔ)的最大功率。能量是標(biāo)量物理量，其描述了力可以進(jìn)行的做功的量，即物體和系統(tǒng)的服從守恒定律的屬性；功率是做功或轉(zhuǎn)換能量的速率；其是每單位時(shí)間的能量。超電容器(Utracapacitor)或超級(jí)電容器(supercapacitor)具有高的最大能量密度或高的最大封裝密度。術(shù)語(yǔ)“壓電系數(shù)”、“壓電模量”或“ d33 ”對(duì)使壓電材料經(jīng)受電場(chǎng)時(shí)的體積變化進(jìn)行量化。壓電現(xiàn)象是壓電材料(特別是晶體和某些陶瓷，包括骨頭)響應(yīng)于施加的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生電場(chǎng)或電勢(shì)的能力。這種效果與材料體積內(nèi)極化密度的變化緊密相關(guān)。如果材料沒(méi)有短路，所施加的應(yīng)力在材料兩端感應(yīng)出電壓。術(shù)語(yǔ)“單元平衡”是對(duì)串聯(lián)連接的不平衡單元進(jìn)行校正的現(xiàn)象。在示例實(shí)施例中，當(dāng)蓄電池中的多個(gè)單元串聯(lián)連接時(shí)在充電或放電過(guò)程期間，單元之間的內(nèi)部阻抗(或電壓)差應(yīng)該近似15%，否則蓄電池中的單元是不平衡的?？梢詫⑤^高的電壓即時(shí)地或逐漸地旁路通過(guò)單元來(lái)校正所述不平衡單元。已知這種現(xiàn)象是單元平衡。
當(dāng)電池組中的多個(gè)單元串聯(lián)連接時(shí)考慮單元平衡。在單元并聯(lián)連接時(shí)不需要單元平衡，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)是自平衡的。當(dāng)電池組中的所有單元具有每個(gè)單元相同的匹配電壓、同時(shí)處于完全充電或放電狀態(tài)時(shí)，電池組單元平衡。如果電池組中的一個(gè)或多個(gè)沒(méi)有匹配，那么所述電池組就沒(méi)有平衡。當(dāng)電池組中的單元沒(méi)有平衡時(shí)，所述電池組具有較少的可用容量，因?yàn)榇?lián)串中的最弱單元的容量確定總的電池組容量。在未平衡電池組中，在充電期間，一個(gè)或多個(gè)單元將在串聯(lián)串中的其余單元之前達(dá)到最大電荷電平。在放電期間，沒(méi)有完全充電的單元將在所述串中的其他單元之前耗盡。術(shù)語(yǔ)“液體復(fù)合物”指的是包含兩相的材料，即連續(xù)液相中的分散固相。術(shù)語(yǔ)“均相溶液”或“均相混合物”指的是在混合物的代表性體積元素中具有明確且一致的化學(xué)成分和物理性質(zhì)的混合物。如果在混合物中存在任何顆粒，則顆粒均勻地散布。代表性體積元素(RVE)是提供混合物的典型材料性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)表示的混合物的體積元素。該體積應(yīng)該足以包含與微結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，而且比混合物的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)尺寸足夠的小。術(shù)語(yǔ)“金屬絡(luò)合物”指的是由中心原子或離子(通常是金屬性的)鍵合至周?chē)?分子或陰離子陣列(配合基、絡(luò)合劑)組成的結(jié)構(gòu)。當(dāng)周?chē)姆肿雨嚵兄辽侔ㄓ袡C(jī)分子時(shí)，所述金屬絡(luò)合物是“金屬有機(jī)絡(luò)合物”。術(shù)語(yǔ)“PZT”指的是至少包括Pb、Zr和Ti的化合物。術(shù)語(yǔ)“準(zhǔn)同型相界”(MPB)指的是固體材料(例如PZT)中的四方晶相狀態(tài)和斜六方晶相狀態(tài)之間的分離。術(shù)語(yǔ)“溶膠凝膠途徑”指的是從作為離散顆?；蚓W(wǎng)狀聚合物的集成網(wǎng)絡(luò)(或凝膠)的前體的化學(xué)溶液開(kāi)始制造材料的方法。所述實(shí)施例涉及一種液體復(fù)合電介質(zhì)材料(LCDM)，包括有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，其中液體復(fù)合電介質(zhì)材料在40Hz具有高電介質(zhì)介電常數(shù)(ε r)以及在40Hz具有低介電損耗(tan δ )。在一個(gè)實(shí)施例中，所述含金屬分散相材料是準(zhǔn)同型相界(MPB)化合物，例如包括Pb、Zr和Ti的化合物。—個(gè)實(shí)施例涉及具有穩(wěn)定、低阻抗、高電介質(zhì)介電常數(shù)和低介電損耗異質(zhì)的LCDM。在多單元電容器的情況下低阻抗意味著在多單元電容器的單獨(dú)單元的內(nèi)部阻抗之間存在小于15%的差別。高電介質(zhì)介電常數(shù)(ε r)意味著ε ^在40Hz至少10000 ;以及低介電損耗(tan δ )指的是tan δ小于I。在一個(gè)實(shí)施例中，LCDM包括PbZra52Ti0.4803/ 二甘醇(PZT/DEG)。在LCDM中可以使用的除了 PZT或DEG之外的其他化合物包括諸如O. 65Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-O. 35PbTi0s之類(lèi)的MPB化合物，與PZT和聚乙二醇或代替DEG的其他絡(luò)合聚合物相比，這種MPB化合物具有更好的介電、壓電和鐵電性質(zhì)。通過(guò)將例如2wt %的PZT粉末(尺寸近似45nm)散布在DEG中、并且在50°C的池浴溫度下攪動(dòng)加熱約2小時(shí)以獲得均相溶液來(lái)準(zhǔn)備所述LCDM。這樣獲得的LCDM在40Hz具有測(cè)量的室溫下非常高的電介質(zhì)介電常數(shù)( 13593)和低介電損耗O. 9)。LCDM的漏電流密度低(100V的施加電壓下是2. 9x1 (T4AcnT2)，擊穿電場(chǎng)為I. 7kVcm^0 LCDM的最大能量密度和最大功率密度分別是HOWhcc-1和ZxIO5Wcc'其他實(shí)施例涉及包括鐵電鋯鈦酸鉛陶瓷的MPB，例如PbZrxTihO3(PZT)，其可以用于傳感、致動(dòng)和能量存儲(chǔ)應(yīng)用。通常組分范圍包括x = 0. 40-0. 60、x = O. 45-0. 57或者x =O. 48-0. 54，其對(duì)應(yīng)于將四方晶相與斜六方晶相相分離的準(zhǔn)同型相界(MPB)。在x O. 48，即MPB區(qū)域，PZT材料產(chǎn)生具有高介電和壓電性質(zhì)的良好性質(zhì)。在該示例中，對(duì)于MPB區(qū)域附近的成分獲得最佳的壓電和介電性質(zhì)。樣品PZT材料與當(dāng)前可用的超級(jí)電容器材料相比的優(yōu)勢(shì)是易于合成可以?xún)H通過(guò)改變焙燒溫度通過(guò)溶膠凝膠方法容易地合成具有不同顆粒尺寸(40-200nm)的PZT粉末?？梢酝ㄟ^(guò)成分中PZT的不同顆粒尺寸和不同被％容易地調(diào)節(jié)PZT/DEG復(fù)合物的電介質(zhì)介電常數(shù)。通過(guò)從硝酸鉛(Pb(NO3)2)、氯氧化鋯(Zr0Cl28H20)和(IV)異丙氧基鈦(TiC12H28O4)開(kāi)始，通過(guò)溶膠-凝膠途徑容易地合成粉末形式的準(zhǔn)同型相界化合物PbZra52Tia48O3(PZT)。將這些原料溶解在IOOml去離子水中。隨后向上述溶液添加5ml HNO3攪拌。然后在攪拌溶液30分鐘之后將所述溶液回流約2小時(shí)。將所獲得的前體在600°C下焙燒3小時(shí)，然后研磨粉末?？梢詫ZT粉末在略高的溫度(750-900°C )下加熱不同的持續(xù)時(shí)間1-6小時(shí)，以獲得具有不同顆粒尺寸的PZT粉末。
低成本在PZT/DEG的LCDM中要求的PZT的量較小，是LCDC的l_5wt%。因此，可以按照相對(duì)低的成本容易地制造PZT/DEG的LCDM。易于改變電介質(zhì)介電常數(shù)具有不同顆粒尺寸的PZT粉末可以導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。可以通過(guò)在復(fù)合物中使用不同顆粒尺寸和不同wt%的PZT來(lái)容易地調(diào)節(jié)包含PZT/DEG的LCDM的電介質(zhì)介電常數(shù)。PZT粉末的顆粒尺寸范圍45-200nm;PZT粉末在DEG中的重量百分比l-5fft%0因?yàn)榘琍ZT/DEG的LCDM是抗蝕的并且總是表現(xiàn)為惰性，可以使用任意電極材料。例如，已經(jīng)將Cu電極用于圖2的測(cè)試結(jié)果。同樣，基于Ag和碳-石墨的電極可以用于包含 PZT/DEG 的 LCDM。使用此處實(shí)施例的LCDM的能量存儲(chǔ)裝置具有以下優(yōu)勢(shì)不使用任何混合系統(tǒng)的高能量密度。在多單元系統(tǒng)中，除了具有高可靠性之外，不要求單元平衡以來(lái)避免單元的故障和損壞。在凝膠形式的液體電解液形式的固體超級(jí)電容器中的可用性，涂覆在薄膜超級(jí)電容器材料上，不具有侵蝕、自放電和低能量密度的缺點(diǎn)。工作限制可以在高電壓(100V)和寬頻率范圍(40Hz-10MHz)下操作。包含PZT/DEG的LCDM具有低介電損耗、低漏電流密度和高擊穿電場(chǎng)，使得這種混合物在高工作電壓(1-100V)和寬頻率范圍(40Hz-10MHz)是有用的。因?yàn)榇颂帉?shí)施例的超級(jí)電容器材料處于液相，能量存儲(chǔ)裝置可以是任意形式、尺寸或形狀。示例 通過(guò)從硝酸鉛(Pb (NO3) 2)、氯氧化鋯(Zr0Cl28H20)和(IV)異丙氧基鈦(TiC12H28O4)開(kāi)始，通過(guò)溶膠-凝膠途徑合成粉末形式的準(zhǔn)同型相界化合物PbZra52Tia48O3(PZT)。將這些原料溶解在IOOml去離子水中。隨后向PZT和DEG的混合物中添加5ml HNO3攪拌。然后在攪拌溶液30分鐘之后將所述溶液回流約2小時(shí)。在反應(yīng)結(jié)束時(shí)獲得的金屬-有機(jī)絡(luò)合物(凝膠形式)在600°C下焙燒3小時(shí)，然后研磨粉末?？梢詫ZT粉末在略高的溫度下再次加熱，750°C下加熱3小時(shí)。圖I示出準(zhǔn)備PZT粉末的流程圖。
通過(guò)在加熱的同時(shí)磁性地?cái)嚢?、并且使得所述溶液?jīng)歷超聲振動(dòng)，將2wt%的PZT粉末散布在二甘醇(DEG)中。PZT的最小重量百分比可以是lwt%，而PZT的最大重量百分比可以是5wt%。PZT粉末的顆粒尺寸是45±5nm。將LCDM的最終均相溶液轉(zhuǎn)移到液體電容器樣品容器中，用于測(cè)試LCDM的電介質(zhì)介電常數(shù)和漏電流性質(zhì)。通過(guò)阻抗分析器(美國(guó)，安捷倫的4294A)研究LCDM的電介質(zhì)性質(zhì)。測(cè)量空液體樣品容器的和PZT/DEG溶液填充的樣品容器的電容(C)和介電損耗(D)。然后使用等式ε r=Cp/C0,計(jì)算PZT/DEG溶液的介電常數(shù)(ε J。這里，Cp和C。分別是PZT/DEG溶液填充樣品容器和空樣品容器的電容。測(cè)量到LCDM的非常高的電介質(zhì)介電常數(shù)(在OV的偏置電壓、在40Hz時(shí)ε ^ = 13593)。電介質(zhì)介電常數(shù)隨著偏置電壓增加至20V而降低至7114的值。然而如圖2a和2b所示，發(fā)現(xiàn)介電損耗隨著偏置電壓的增加而增加。PZT/DEG混合物的電阻隨偏置電壓的增加而降低，其基本上導(dǎo)致電介質(zhì)介電常數(shù)的降低和介電損耗的增加。 在介電損耗曲線(xiàn)中清楚地看出5. 5MHz時(shí)的頻率諧振，其可以歸因于PZT和DEG位置之間的離子跳躍(ion hoping)(或相互作用)?？梢栽谳^寬的頻率范圍內(nèi)使用PZT/DEG溶液。可以通過(guò)僅改變復(fù)合物中PZT成分的wt %來(lái)容易地調(diào)節(jié)PZT/DEG復(fù)合物的電介質(zhì)介電常數(shù)。這一特征可以用于修改PZT/DEG溶液的介電性質(zhì)，使得這些溶液在較大的頻率和工作電壓范圍內(nèi)是有用的。復(fù)合物的高電介質(zhì)介電常數(shù)可能是形成由彼此并聯(lián)的導(dǎo)電層(DEG分子)覆蓋的非導(dǎo)電層(以PZT顆粒為核)的結(jié)果。這一特征導(dǎo)致介電常數(shù)(L)從單獨(dú)PZT的約2000增加到PZT/DEG的LCDM的約14000 (具體地在一個(gè)示例中是13593)的未預(yù)料到的結(jié)果。使用精度優(yōu)先的鐵電回路跟蹤器(美國(guó)的Radiant Technologies)測(cè)量LCDM隨施加電場(chǎng)(E)變化的漏電流密度(J)。使用精度優(yōu)先的鐵電回路跟蹤器(美國(guó)的RadiantTechnologies)測(cè)量PZT/DEG溶液(即示例LCDM)的I-V特性。使用電極面積(A)和電極分離度(d)推導(dǎo)出PET/DEG的J-E特性。LCDM的J-E測(cè)量表現(xiàn)出如圖3中所示的J-E特性。示例LCDM在100V施加電壓下具有2. 9X10_4Acm_2的低漏電流密度和I. 7kVcm^的擊穿電場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)包含PZT/DEG的LCDM的最大能量密度和最大功率密度分別是HOWhcc—1和ZxIO5Wcc'比較性結(jié)果表I :此處公開(kāi)實(shí)施例的液體超級(jí)電容器和現(xiàn)有蓄電系統(tǒng)的能量密度和功率密度
權(quán)利要求
1.ー種液體復(fù)合電介質(zhì)材料，包括在有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料在40Hz具有10000或更大的介電常數(shù)(ε r)以及在40Hz具有I或更小的介電損耗(tan δ )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料,其中所述含金屬分散相材料包括準(zhǔn)同型相界化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料,其中所述有機(jī)液相材料包括こニ醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料具有小于lxlO_3Acm_2的漏電流密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料是均相溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括Pb、Zr 和 Ti。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括鐵電鋯鈦酸鉛陶瓷。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括Pb、Mg、Nb 和 Ti。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括PbZrxTihO3,其中 O. 4 < x < O. 6。
10.ー種電化學(xué)電容器,包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體復(fù)合電介質(zhì)材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電容器，其中所述電化學(xué)電容器具有1-100V的工作電壓和40Hz-10MHz的工作頻率范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電容器，其中所述電化學(xué)電容器的單個(gè)電化學(xué)電容器的最大能量密度和功率密度分別大于lOOWhcc—1和IxIO5Wcc'
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)電容器，其中所述最大能量密度和所述功率密度分別是約 170ffhcc_1 和約 2x105Wcc'
14.ー種制造復(fù)合電介質(zhì)材料的方法，所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料包括在有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，所述方法包括通過(guò)溶膠凝膠途徑形成含金屬分散相材料的粉末，以及將所述含金屬分散相材料的粉末散布在所述有機(jī)液相材料中以形成具有均相溶液的液體復(fù)合電介質(zhì)材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述含金屬分散相材料包括準(zhǔn)同型相界化合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述有機(jī)液相材料包括こニ醇。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料具有小于IxKT3AcnT2的漏電流密度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括鐵電鋯鈦酸鉛陶瓷。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括Pb、Mg、Nb和Ti。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述準(zhǔn)同型相界化合物包括PbZrxTihO3，其中O.4 < X < O. 6。
全文摘要
實(shí)施例涉及一種液體復(fù)合電介質(zhì)材料，包括在有機(jī)液相材料中的含金屬分散相材料，其中所述液體復(fù)合電介質(zhì)材料在40Hz具有10000或更大的介電常數(shù)(εr)以及在40Hz具有1或更小的介電損耗(tanδ)。
文檔編號(hào)H01B3/00GK102696077SQ201080060864
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者B·拉馬錢(qián)德蘭, M·S·拉馬錢(qián)德拉·勞 申請(qǐng)人:印度馬德拉斯理工學(xué)院