叠片陶瓷超级电容器电池用介质材料的合成与性能研究

以叠片陶瓷电容器(MLCC)制作的超级电容器电池（SCB）具有广阔的应用前景。设计和合成了具有“芯-壳”结构的纳米粉体材料及其细晶陶瓷的巨介电材料是解决这一问题的关键。本成果以“芯-壳”结构材料作为理论研究基础，扩展和延伸本项目的计划研究内容。主要研究内容包括： （1）设计并合成单分散微纳米结构的钛酸铜钙(CCTO)粉体，然后依次包覆钛酸锶（STO）、氧化铝绝缘层和钙镁铝硅酸盐玻璃(CMASO)和锌硼硅氧化物玻璃(ZBSO)，得到具有“芯-壳”结构的CCTO@STO@Al2O3@CMASO等介质材料，探讨相关反应机理，以及结构与性质的构效关系。这是本项目的最初思路和研究内容。 （2）开展具有“芯-壳”结构的复合氧化物多功能纳米材料的研究及其应用方面的工作，获得了具有良好光催化作用和靶向载药性能的氧化铁为“芯”的纳米功能复合氧化材料。这为本项目的“芯-壳”结构复合氧化材料的设计和合成奠定基础。 （3）通过简单的湿化学法合成得到具有“芯-壳”结构的钛酸钡基或者锆钛酸钡基微纳米粉体及其陶瓷材料，获得了具有巨介电常数的钛酸钡基微纳米粉体和细晶陶瓷的介质材料，并满足Y5V特性；同时，还得到具有很高介电常数并满足X8R型的温度稳定型介电材料。 通过本项目的研究，丰富了具有“芯-壳”结构的功能无机复合氧化材料构建理论；完成了本项目提出的巨介电材料设计和合成目的。发表期刊论文16篇，其中SCI源期刊论文8篇（二区5篇）, EI收录1篇，会议论文4篇；申请发明专利8项（1项为实用新型），获得授权专利4项（1项为实用新型）；获得2012年陕西省高等学校科学技术奖一等奖和2012年陕西省科学技术奖二等奖各1项。培养博硕士生分别8名和2人，其中7名硕士生和1名博士生已经毕业。本成果将为叠片陶瓷电容器(MLCC)制作的超级电容器电池提供新的介电材料和理论基础。

以叠片陶瓷电容器(MLCC)制作的超级电容器电池（SCB）是一种功率密度大、充放电迅捷可控和安全环保的新型储能器件，有广阔的应用前景。本项目拟以巨介电常数钛酸铜钙(CCTO) 纳米材料为基质来制备超薄层的细晶MLCC，通过这些MLCC的串并混联来达到制备大容量SCB的目的。首先通过溶胶-凝胶法制备高介电常数、低介电损耗和高介电温度稳定性的钛酸钡（BT）基前驱体，以及能够改善介电材料的耐压性和降低烧结温度的氧化铝及钙镁铝硅酸盐玻璃前驱体溶胶。然后用这三种稳定溶胶依次包裹用螯合前驱体沉淀法制备的CCTO超细粉体，以获得满足SCB应用的CCTO@BT基复合细晶介质材料。通过关联材料的组成、匹配性、制备条件与材料的相组成、显微结构以及介电常数、介电损耗和耐压性能的构效关系，阐明所涉及的两种湿化学方法的反应机理和性能改善机制，为制备大容量、低损耗、高耐压的SCB用介质材料奠定基础。

1996年9月9日，《电容器用陶瓷介质材料》发布。

1997年5月1日，《电容器用陶瓷介质材料》实施。

本项目以高性能储能材料为导向，拟以多孔碳薄膜和纳米线阵列作为导电聚合物聚苯胺的载体，开发一种简单有效的方法直接在集电极上制备超级电容器复合电极材料。电极材料直接生长到集电极上，可以简化超级电容器电极制备步骤，并能有效降低电容器的内阻。复合材料的多孔碳支架能够均匀承受聚合物在充放电过程中的应力，保证了电极材料的循环稳定性；将导电聚合物自组装到多孔碳的孔道中，可以提高多孔碳的导电性，从而改善电极材料的循环稳定性和倍率特性。通过优化有序多孔碳薄膜和纳米线阵列的制备工艺、聚合物在多孔碳孔道中的自组装工艺，实现对复合材料的形貌、组成和结构的调控。研究所制备复合材料的充放电容量、充放电特性和循环稳定性；探索复合材料的形貌、组成和结构等因素对超级电容器性能的影响，为开发具有高比电容、高比功率、高比能量和高循环稳定性的超级电容器电极材料提供理论和实践指导。