储能材料的制备及表征综合虚拟仿真实验

电容器储能相对于常见的机械能储能、电化学储能器件，因为具有储能密度高、能量释放速度快、 可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，因此得到广泛的研究和应用。目前，用于制备储能电容器的固态高储能密度介质材料的研究主要集中在聚合 物、陶瓷-聚合物复合材料以及陶瓷三大类。由于聚合物、陶瓷-聚合物复合材料的聚合物 基体在150°C容易发生热分解或变形，因此，陶瓷介质材料成为制备耐高温储能电容器的主要候选材料。目前，无铅储能陶瓷材料主要集中在BaTiO₃、SrTiO₃、CaTiO₃、 (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃等陶瓷材料上，这些材料经过掺杂改性和复合，尤其是形成具有“芯-壳”结构的纳米复合材料后，其储能密度和储能效率能够明显得到改善，从而使这些材料更具有实际使用应用价值。是一种具有革命性的绿色能源技术，在电动汽车和混合电动汽车、内燃机机车启动、电力系统、微型计算机以及军工方面等都有极广泛的应用。

因此，本实验综合性强。具体为采用化学沉淀法和溶胶-凝胶法先制备纳米BaTiO₃粉体材料，然后再依次包覆La₂O₃和SiO₂，制备得到具有“芯-壳”结构的BaTiO₃@La₂O₃@SiO₂纳米复合粉体材料，再经烧结得到具有储能特征的功能陶瓷材料，最终进行材料的结构表征与性能测试。但整个实验过程周期长，涉及的制备和表征仪器多，而且还涉及高温实验过程、高电压的测试和危险试剂使用等不安全实验步骤。可见，通过软件和实验结果大数据对本实验进行虚拟仿真，从而在有限时间、有限空间、有限条件下，尽可能避免长时间的高温实验过程、高电压的测试和危险试剂使用等不安全实验步骤，获得最大和最有效的实验教学效果，保证教学质量。

1. 通过软件模拟沉淀法和溶胶-凝胶法制备过程，让学生掌握BaTiO₃纳米材料、以及依次包覆La₂O₃和SiO₂的“芯-壳”结构BaTiO₃@La₂O₃@SiO₂复合材料和陶瓷材料的复杂制备过程及影响因素。

2. 通过软件仿真材料的表征及电性能测试结果，让学生掌握纳米材料、复合材料和陶瓷材料的组成、相结构和微观形貌的表征，以及介电性能、储能性质测试过程及结果。

3. 通过大数据虚拟，让学生熟悉反应配比和制备条件等因素对纳米材料、复合材料和陶瓷材料的相组成、微观结构和微观形貌，以及介电性能、储能性质的影响规律。

4. 通过线上虚拟仿真实验和线下的真实实验，让学生全面了解化学制备、材料结构和材料性质和器件应用四者之间的相互关系。

坚持以学生为中心的、人人参与的实验方案设计思路与理念。采用陶瓷储能材料制作的多层陶瓷电容器，具有充放电快速、使用寿命长、充放电循环效率高等特点。其制备、表征与性能测试实验对于培养本科生的实验操作能力、开拓视野、培养创新能力都有很大帮助。然而完全进行涉及纳米材料、具有“芯-壳”结构的复合材料和陶瓷材料的制备、表征和性能测试需要两周时间，同时实验涉及的XRD、SEM和TEM等大型仪器。而且涉及高温、高电压和危险化学试剂，因此，实体实验存在较大安全隐患。可见，本科教学中无法让每一位学生独立进行测试操作。因此，采用“虚实结合”的思想进行《储能材料的制备及表征综合虚拟仿真实验》的教学具有重要意义。

项目中的实验是科研成果向教学的转化，具有丰富的前期实验数据作为理论基础，实验参数及实验结果与实体实验保持一致。实验不仅仅是过程的演示，根据学生操作步骤或参数选择的不同，相应的分析测试结果也会发生变化。实验涉及的仪器较全面，包括多项材料制备仪器设备和热分析、x-射线粉末衍射分析、透射电镜、扫描电镜以及涉及纳米材料及陶瓷材料的介电、铁电、压电、电卡效应和储能性能的测试表征等大型仪器的虚拟仿真操作，涵盖的知识面广泛。本实验在加深学生理论认识的同时，也提高学生的实践能力，帮助学生构建更完整的知识体系。