疊片陶瓷超級(jí)電容器電池用介質(zhì)材料的合成與性能研究

以疊片陶瓷電容器(MLCC)制作的超級(jí)電容器電池（SCB）具有廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)和合成了具有“芯-殼”結(jié)構(gòu)的納米粉體材料及其細(xì)晶陶瓷的巨介電材料是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。本成果以“芯-殼”結(jié)構(gòu)材料作為理論研究基礎(chǔ)，擴(kuò)展和延伸本項(xiàng)目的計(jì)劃研究?jī)?nèi)容。主要研究?jī)?nèi)容包括： （1）設(shè)計(jì)并合成單分散微納米結(jié)構(gòu)的鈦酸銅鈣(CCTO)粉體，然后依次包覆鈦酸鍶（STO）、氧化鋁絕緣層和鈣鎂鋁硅酸鹽玻璃(CMASO)和鋅硼硅氧化物玻璃(ZBSO)，得到具有“芯-殼”結(jié)構(gòu)的CCTO@STO@Al2O3@CMASO等介質(zhì)材料，探討相關(guān)反應(yīng)機(jī)理，以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系。這是本項(xiàng)目的最初思路和研究?jī)?nèi)容。 （2）開(kāi)展具有“芯-殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物多功能納米材料的研究及其應(yīng)用方面的工作，獲得了具有良好光催化作用和靶向載藥性能的氧化鐵為“芯”的納米功能復(fù)合氧化材料。這為本項(xiàng)目的“芯-殼”結(jié)構(gòu)復(fù)合氧化材料的設(shè)計(jì)和合成奠定基礎(chǔ)。 （3）通過(guò)簡(jiǎn)單的濕化學(xué)法合成得到具有“芯-殼”結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇基或者鋯鈦酸鋇基微納米粉體及其陶瓷材料，獲得了具有巨介電常數(shù)的鈦酸鋇基微納米粉體和細(xì)晶陶瓷的介質(zhì)材料，并滿足Y5V特性；同時(shí)，還得到具有很高介電常數(shù)并滿足X8R型的溫度穩(wěn)定型介電材料。 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，豐富了具有“芯-殼”結(jié)構(gòu)的功能無(wú)機(jī)復(fù)合氧化材料構(gòu)建理論；完成了本項(xiàng)目提出的巨介電材料設(shè)計(jì)和合成目的。發(fā)表期刊論文16篇，其中SCI源期刊論文8篇（二區(qū)5篇）, EI收錄1篇，會(huì)議論文4篇；申請(qǐng)發(fā)明專利8項(xiàng)（1項(xiàng)為實(shí)用新型），獲得授權(quán)專利4項(xiàng)（1項(xiàng)為實(shí)用新型）；獲得2012年陜西省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和2012年陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。培養(yǎng)博碩士生分別8名和2人，其中7名碩士生和1名博士生已經(jīng)畢業(yè)。本成果將為疊片陶瓷電容器(MLCC)制作的超級(jí)電容器電池提供新的介電材料和理論基礎(chǔ)。

以疊片陶瓷電容器(MLCC)制作的超級(jí)電容器電池（SCB）是一種功率密度大、充放電迅捷可控和安全環(huán)保的新型儲(chǔ)能器件，有廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目擬以巨介電常數(shù)鈦酸銅鈣(CCTO) 納米材料為基質(zhì)來(lái)制備超薄層的細(xì)晶MLCC，通過(guò)這些MLCC的串并混聯(lián)來(lái)達(dá)到制備大容量SCB的目的。首先通過(guò)溶膠-凝膠法制備高介電常數(shù)、低介電損耗和高介電溫度穩(wěn)定性的鈦酸鋇（BT）基前驅(qū)體，以及能夠改善介電材料的耐壓性和降低燒結(jié)溫度的氧化鋁及鈣鎂鋁硅酸鹽玻璃前驅(qū)體溶膠。然后用這三種穩(wěn)定溶膠依次包裹用螯合前驅(qū)體沉淀法制備的CCTO超細(xì)粉體，以獲得滿足SCB應(yīng)用的CCTO@BT基復(fù)合細(xì)晶介質(zhì)材料。通過(guò)關(guān)聯(lián)材料的組成、匹配性、制備條件與材料的相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及介電常數(shù)、介電損耗和耐壓性能的構(gòu)效關(guān)系，闡明所涉及的兩種濕化學(xué)方法的反應(yīng)機(jī)理和性能改善機(jī)制，為制備大容量、低損耗、高耐壓的SCB用介質(zhì)材料奠定基礎(chǔ)。

1996年9月9日，《電容器用陶瓷介質(zhì)材料》發(fā)布。

1997年5月1日，《電容器用陶瓷介質(zhì)材料》實(shí)施。

本項(xiàng)目以高性能儲(chǔ)能材料為導(dǎo)向，擬以多孔碳薄膜和納米線陣列作為導(dǎo)電聚合物聚苯胺的載體，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單有效的方法直接在集電極上制備超級(jí)電容器復(fù)合電極材料。電極材料直接生長(zhǎng)到集電極上，可以簡(jiǎn)化超級(jí)電容器電極制備步驟，并能有效降低電容器的內(nèi)阻。復(fù)合材料的多孔碳支架能夠均勻承受聚合物在充放電過(guò)程中的應(yīng)力，保證了電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性；將導(dǎo)電聚合物自組裝到多孔碳的孔道中，可以提高多孔碳的導(dǎo)電性，從而改善電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。通過(guò)優(yōu)化有序多孔碳薄膜和納米線陣列的制備工藝、聚合物在多孔碳孔道中的自組裝工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的形貌、組成和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。研究所制備復(fù)合材料的充放電容量、充放電特性和循環(huán)穩(wěn)定性；探索復(fù)合材料的形貌、組成和結(jié)構(gòu)等因素對(duì)超級(jí)電容器性能的影響，為開(kāi)發(fā)具有高比電容、高比功率、高比能量和高循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器電極材料提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。