刘佰博等：超细品钛酸钡基储能陶瓷的性能与微观结构 ·899· ◆一BaTiO. 晶粒尺寸的下降，样品的极化强度逐渐降低.根据式 -BaAlO (5)和电滞回线的充放电过程可知，电滞回线上方的 ★-Ba,TijAl,0n 面积（第一象限内）为放电能量密度，电滞回线充电曲 线上方的面积（第一象限内）为充电能量密度，二者面 Al,0,-Si0,-Zn0掺杂 积之差即电滞回线内部包围面积为充放电过程中损失 的能量.放电能量密度为实际可用的能量密度，因此 A,可S0茶 通常简称储能密度，储能密度与充电能量密度的比值 A,O,杂 即为储能效率.依据图4(a)计算得到的储能密度和 未擦杂 储能效率由表1给出，未掺杂的钛酸钡的储能密度最 人儿人人人 大，仅掺杂AL,0,的陶瓷样品，极化强度大幅下降，但 20 30 40 5060 70 8090 20/) 是剩余极化强度变化不大，因此储能密度和储能效率 图3陶瓷样品表面的X射线衍射图谱 都大幅下降.加入Si0,和Z0后，储能效率大幅提升. Fig.3 XRD pattems of ceramics samples 由于仅掺杂AL,O,的陶瓷样品，存在严重的异常晶粒 长大，且性能劣化，因此后文不再进行详细讨论. 2.2电性能表征 表1 样品的密度以及场强为50kV·cm1时样品的储能密度和储能 在实验室中，一般通过测电滞回线(P-E)来表征 效率 电介质的储能密度.P为电极化强度，它和电位移D Table 1 Density of samples and energy density and efficiency of all 的关系为： samples under field of 50kV.cm D=80E+P=E(1 +X)E=808E. (4) 密度/ 储能密度/ 储能 样品 式中，E为电场强度，X。为电极化率，E。为真空介电常 (gcm3)(小cm3) 效率/% 数，￡，为相对介电常数.对于常见的储能陶瓷介质，X。 BT 5.689 0.202 63.1 远大于1，因此P≈D,从而储能密度U为： A山20，掺杂 5.217 0.094 48.2 A山20，-Si02掺杂 5.324 0.180 82.7 UEdD=Ed(E)Edp.(5) AL,03-Si02-Zm0掺杂 5.658 0.159 85.0 不同样品在最大极化电压约为50kV·cm的条件 根据电滞回线计算出的储能密度和储能效率随电 下的电滞回线如图4(a)所示，随着掺杂元素的增加和 场强度变化的曲线如图5所示.由图5可知，未掺杂 a 20 0 20 10 10 0 未搀杂 -10 ALO 最大场强59.7kV ALO,-SiO -20 -20 储能密度0.206J·cm-3 AL,O,Si0,-Zno 储能效率36% -30 40 -20 0 20 40 0 40 -200 20 40 60 EkV·cm-) EkV·cm- 16 18 d 12 以 6 0以 -6 -8 最大场强124.3kV 最大场强149.1kV 储能密度0.634」·cm3 -12 -12 储能密度0.829J·cm3 储能效率75.2% 储能效率68.8% -16 -120-80 -4004080120 -18 150-100-50050100150 EkV·cm-) EkV·cm-) 图4样品在50kV·cm1场强下的电滞回线.(a)比较图：(b)BT:(c)A山203-SiO2掺杂：(d)A2O3-Si02-Z0掺杂 Fig.4 Hysteresis loops of samples under field of 50kV.cm:(a)all samples;(b)BT;(c)Al,03-Si0,doped sample;(d)Al20:-Si02-ZnO doped sample刘佰博等: 超细晶钛酸钡基储能陶瓷的性能与微观结构 图 3 陶瓷样品表面的 X 射线衍射图谱 Fig. 3 XRD patterns of ceramics samples 2郾 2 电性能表征 在实验室中,一般通过测电滞回线(P鄄鄄 E)来表征 电介质的储能密度. P 为电极化强度,它和电位移 D 的关系为: 图 4 样品在 50 kV·cm - 1场强下的电滞回线 郾 (a)比较图;(b)BT;(c)Al2O3 鄄鄄 SiO2掺杂;(d)Al2O3 鄄鄄 SiO2 鄄鄄ZnO 掺杂 Fig. 4 Hysteresis loops of samples under field of 50 kV·cm - 1 : (a) all samples; (b) BT; (c) Al2O3 鄄鄄SiO2 doped sample; (d) Al2O3 鄄鄄SiO2 鄄鄄ZnO doped sample D = 着0E + P = 着0 (1 + 字e)E = 着0着rE. (4) 式中,E 为电场强度,字e 为电极化率,着0 为真空介电常 数,着r 为相对介电常数. 对于常见的储能陶瓷介质,字e 远大于 1,因此 P抑D,从而储能密度 U 为: U = 乙 Dmax 0 EdD = 着0 乙 着0着rEmax 0 Ed(着rE)抑 乙 Pmax 0 EdP. (5) 不同样品在最大极化电压约为 50 kV·cm - 1的条件 下的电滞回线如图 4(a)所示,随着掺杂元素的增加和 晶粒尺寸的下降,样品的极化强度逐渐降低. 根据式 (5)和电滞回线的充放电过程可知,电滞回线上方的 面积(第一象限内)为放电能量密度,电滞回线充电曲 线上方的面积(第一象限内)为充电能量密度,二者面 积之差即电滞回线内部包围面积为充放电过程中损失 的能量. 放电能量密度为实际可用的能量密度,因此 通常简称储能密度,储能密度与充电能量密度的比值 即为储能效率. 依据图 4( a) 计算得到的储能密度和 储能效率由表 1 给出,未掺杂的钛酸钡的储能密度最 大,仅掺杂 Al 2 O3 的陶瓷样品,极化强度大幅下降,但 是剩余极化强度变化不大,因此储能密度和储能效率 都大幅下降. 加入 SiO2和 ZnO 后,储能效率大幅提升. 由于仅掺杂 Al 2 O3 的陶瓷样品,存在严重的异常晶粒 长大,且性能劣化,因此后文不再进行详细讨论. 表 1 样品的密度以及场强为50 kV·cm - 1时样品的储能密度和储能 效率 Table 1 Density of samples and energy density and efficiency of all samples under field of 50 kV·cm - 1 样品 密度/ (g·cm - 3 ) 储能密度/ (J·cm - 3 ) 储能 效率/ % BT 5郾 689 0郾 202 63郾 1 Al2O3掺杂 5郾 217 0郾 094 48郾 2 Al2O3 鄄鄄 SiO2掺杂 5郾 324 0郾 180 82郾 7 Al2O3 鄄鄄 SiO2 鄄鄄ZnO 掺杂 5郾 658 0郾 159 85郾 0 根据电滞回线计算出的储能密度和储能效率随电 场强度变化的曲线如图 5 所示. 由图 5 可知,未掺杂 ·899·