本發(fā)明涉及一種高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜及其制備方法和應用，屬于無機儲能電容器薄膜及其制備。

背景技術：

1、電介質電容器憑借超高的功率密度和超快的充放電速率在混合動力汽車、電子通信和脈沖功率技術等領域應用廣泛。與電化學電容器、燃料電池等儲能器件相比，較低的能量密度限制了電介質電容器的實際應用。在眾多不同類型的電介質電容器中，薄膜電容器因具有擊穿場強高、體積小、穩(wěn)定性高等特點成為電介質電容器領域的研究熱點，但其儲能密度小、儲能效率低等問題仍待解決。

2、電容器薄膜的儲能性能是決定電容器儲能性能的關鍵。目前廣泛應用的儲能電容器薄膜材料主要為有機聚合物材料和無機材料。與有機聚合物電介質材料相比，無機電介質材料具有較高的相對介電常數、較好的環(huán)境穩(wěn)定性以及較長的使用壽命，具有良好的應用前景。而無機薄膜材料通常生長在剛性襯底上，難以滿足柔性電子產品的應用需求，因此進一步提升無機薄膜的儲能性能，并探索其柔性化的制備過程具有重要研究意義。

技術實現思路

1、本發(fā)明為了解決現有無機儲能電容器薄膜儲能密度低和柔韌性差的問題，提供一種高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜，該薄膜的化學組成式為(1-x)na0.5bi0.5tio3-xbazr0.2ti0.8o3，其中x為0.92-0.98。

2、進一步限定，x為0.92、0.94、0.96或0.98。

3、進一步限定，薄膜厚度為200-250nm。

4、本發(fā)明的目的之二是提供一種上述高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜的制備方法，該方法包括一下步驟：

5、(1)將乙酸鋇、乙酸鈉和硝酸鉍溶解于乙酸和甲酰胺的混合溶液中，加熱條件下攪拌，得到溶液a；

6、(2)將鈦酸四丁酯溶解于乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液中，室溫條件下攪拌，得到溶液b；向溶液b中加入正丁醇鋯，室溫條件下攪拌，得到溶液c；

7、(3)將溶液a和溶液c混合，攪拌，陳化，得到前驅體溶液；

8、(4)采用旋涂法將前驅體溶液旋涂在洗凈干燥的襯底上然后烘干，重復上述旋涂和烘干步驟，得到未晶化的薄膜；

9、(5)將未晶化的薄膜進行快速退火晶化處理，得到鋯鈦酸鋇基電容器薄膜。

10、進一步限定，(1)中甲酰胺和乙酸的體積比為1：(4-6)。

11、進一步限定，(1)中加熱攪拌溫度為50℃，時間為30min。

12、進一步限定，(2)中乙酰丙酮和鈦酸四丁酯的體積比為1：(1.2-1.5)。

13、進一步限定，溶液a、溶液b和溶液c的濃度為0.2-0.25mol/l。

14、進一步限定，(3)中攪拌時間為4-6h，陳化時間為24h。

15、進一步限定，(4)中襯底為剛性的pt、ti、sio2或si襯底，或為柔性的氟晶云母襯底。

16、進一步限定，(4)中襯底預處理方式為：依次使用乙醇和去離子水及進行超聲清洗，時間為10min，再將清洗后的襯底置于高溫干燥烘箱中，設定烘干溫度為60℃，烘干時間為10min。

17、進一步限定，(4)中旋涂工藝為：在1000rmp條件先持續(xù)5-7s，然后在3500rmp條件下持續(xù)25-30s。

18、進一步限定，(4)中烘干溫度為400℃，時間為3-5min。

19、進一步限定，(5)中快速退火晶化處理溫度為700℃，時間為3-4min。

20、本發(fā)明的目的之三是提供一種上述高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜的應用，具體的用于儲能電介質電容器的制備。

21、進一步限定，使用高真空磁控濺射鍍膜機在高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜的表面鍍上直徑為200nm的金屬pt電極，制得儲能電介質電容器。

22、本發(fā)明有益效果：

23、(1)本發(fā)明采用溶膠-凝膠法結合旋涂退火工藝制備了化學式為(1-x)na0.5b0.5tio3-xbazr0.2ti0.8o3(x＝0-0.08)的無機儲能電容器薄膜。將高介電常數的鈦酸鉍鈉引入高擊穿特性的鋯鈦酸鋇中，通過形成納米級極化區(qū)域，提升復合電容器薄膜的極化性能，進而提升電容器薄膜的介電性能。同時形成的納米級極化區(qū)域可以快速對外加電場作出反應，抑制極化損耗，進而降低電容器薄膜在充放電過程中的能量損耗。

24、鋯鈦酸鋇(bazr0.2ti0.8o3)在未結晶時表現出類線性材料的極化行為具有高擊穿場強，鈦酸鉍鈉(na0.5bi0.5tio3)作為典型的鐵電材料在結晶時具有高極化強度。由儲能密度計算公式可知，薄膜的儲能密度與其擊穿場強為二次方關系，與其極化強度為一次方關系，而薄膜的擊穿場強與極化強度為負次方關系，因此在鋯鈦酸鋇中微量引入鈦酸鉍鈉所制得的復合薄膜可以形成納米級極化區(qū)域，在保持高擊穿性能的同時提升極化性能，從而獲得具高儲能性能的復合薄膜。

25、(2)本發(fā)明制備的鋯鈦酸鋇基儲能電容器薄膜由于是將高極化性能的na0.5bi0.5tio3少量引入高擊穿性能的bazr0.2ti0.5o3中，使得復合電容器薄膜在保持高擊穿性能的前提下進一步提升了極化性能，進而獲得了優(yōu)異的儲能性能。其中，在pt/ti/sio2/si襯底上生長的0.06a0.5b0.5tio3-0.94bazr0.2ti0.8o3無機電容器薄膜具備良好的的絕緣性能(～6.18mv/cm)，進而呈現出優(yōu)異的儲能密度(62.1j/cm3)和儲能效率(85.2％)，同時薄膜兼具良好的溫度、頻率和疲勞穩(wěn)定性。

26、(3)本發(fā)明制備的鋯鈦酸鋇基儲能電容器薄膜具有較低的泄露電流密度、較低的能量損耗，適用于儲能器件的制造。并且該電容器薄膜兼具良好的溫度、疲勞以及彎曲穩(wěn)定性，適用于柔性電子器件的制造。

27、(4)本發(fā)明提供的鋯鈦酸鋇基儲能電容器薄膜的制備工藝流程簡便，設備價格低廉，選擇的材料環(huán)保無污染，克服了鉛基材料在生產使用過程中對人體和環(huán)境的危害，適用于規(guī)?；a。

技術特征：

1.一種高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜，其特征在于，該薄膜的化學組成式為(1-x)na0.5bi0.5tio3-xbazr0.2ti0.8o3，其中x為0.92-0.98。

2.根據權利要求1所述的高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜，其特征在于，x為0.92、0.94、0.96或0.98。

3.根據權利要求1所述的高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜，其特征在于，薄膜厚度為200-250nm。

4.一種權利要求1-3任一項所述的高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜的制備方法，其特征在于，包括：

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，溶液a、溶液b和溶液c的濃度為0.2-0.25mol/l。

6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，(4)中襯底為剛性的pt、ti、sio2或si襯底，或為柔性的氟晶云母襯底。

7.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，(4)中旋涂工藝為：在1000rmp條件先持續(xù)5-7s，然后在3500rmp條件下持續(xù)25-30s。

8.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，(4)中烘干溫度為400℃，時間為3-5min。

9.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，(5)中快速退火晶化處理溫度為700℃，時間為3-4min。

10.一種權利要求1-3任一項所述的高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜的應用，其特征在于，用于儲能電介質電容器的制備。

技術總結
本發(fā)明公開了一種高儲能特性鋯鈦酸鋇基電容器薄膜及其制備方法和應用，屬于無機儲能電容器薄膜及其制備技術領域。本發(fā)明解決了現有無機儲能電容器薄膜儲能密度低和柔韌性差的問題。本發(fā)明采用溶膠?凝膠法結合旋涂退火工藝制備了化學式為(1?x)Na<subgt;0.5</subgt;B<subgt;0.5</subgt;TiO<subgt;3</subgt;?xBaZr<subgt;0.2</subgt;Ti<subgt;0.8</subgt;O<subgt;3</subgt;(x＝0.92?0.98)的無機儲能電容器薄膜。將高介電常數的鈦酸鉍鈉引入高擊穿特性的鋯鈦酸鋇中，通過形成納米級極化區(qū)域，增加極化強度，抑制極化損耗，提升儲能性能，在外加電壓為120V時，其儲能密度和儲能效率并分別為62.1J/cm<supgt;3</supgt;和85.2％。

技術研發(fā)人員：殷超,張雪,遲慶國,張昌海,張?zhí)鞐?張月,張永泉
受保護的技術使用者：哈爾濱理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/17