[发明专利]高温下高储能密度和高充放电效率的电容器薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种高温下高储能密度和高充放电效率的电容器薄膜制备方法，通过真空射频磁控溅射技术在聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层。利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。利用高绝缘性能薄层的宽能带隙，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到同时提高聚合物电容器薄膜在高温下的储能密度和充放电效率的目的。

技术领域

本发明涉及聚合物薄膜电容器领域，尤其涉及一种在高温下仍能够保持高储能密度和高充放电效率的电容器薄膜的制备方法。

背景技术

电池作为一种传统的储能元件，具有较高的能量密度，但其工作原理决定了其放电速度受限，放电时的功率密度较低，相反，电容器具有极快的充放电速率(微秒级)和超高的功率密度(兆瓦每千克)，适用于许多需要输出脉冲功率的场合，例如电网调频、工业节能、关键医学设备、工业激光器、新能源汽车以及先进电磁武器等。

常用的储能电容器有电解电容器，陶瓷电容器和薄膜电容器三种。铝电解电容器损耗大，寿命短，工作稳定性差，已经逐渐被市场所淘汰；陶瓷电容器是目前微电子等领域使用最为广泛的储能电容器之一，与薄膜电容器相比，陶瓷材料具有较高的介电常数，这有利于制造高能量密度的电容器，但其电器强度往往较低，限制了其储能能力。同时，其加工需要高温烧结，工艺复杂且柔韧性差，随着电子器件持续向小型化，轻量化，集成化，薄膜化的方向发展，轻便，易加工，柔韧性好的的聚合物薄膜电容器将成为未来储能电容器的主流。目前薄膜电容器已在电动汽车、风电、光伏、照明和铁路机车等行业中广泛应用。随着智能电网和新能源等产业的迅猛发展，薄膜电容器的需求还在逐年递增。

尽管薄膜电容器已经得到了广泛应用，但目前薄膜电容器在应用还存在2个主要的问题。一是聚合物材料的介电常数整体偏低，不利于实现高的储能密度。目前常用的聚丙烯电容器的能量密度只有3J/cm³左右，与电化学储能的能量密度相比低1-2个数量级。在动力系统中，如果电容器能量不足则需提高其充放电频率，这会导致电容器泄漏电流增加，从而导致发热量增加，与此同时能量密度不足必然导致设备体积庞大，难以解决其散热问题。这些因素将使电容器内部温度不断升高，最终导致热失稳，目前储能密度偏低已经成为制约薄膜电容器发展的关键瓶颈；二是目前薄膜电容器的最高工作温度普遍不高，工作温度较高的聚酯薄膜电容器的最高工作温度也只有105℃左右，这是因为当温度逐渐升高到接近薄膜电容器最高使用温度时，在高电场作用下，聚合物电介质内部泄漏电流/电导率呈现指数级上升的趋势，导致聚合物电介质材料的介电损耗急剧升高，充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。此外，由于聚合物电介质的热导率普遍较低，泄漏电流产生的焦耳热往往无法传导至电介质的外部，导致电介质内部温度升高，发生热溃散，造成介质材料甚至无法在远低于其设计温度的环境下连续稳定工作。有效抑制高温高电场条件下的电容器薄膜的泄漏电流已经成为高性能电容器薄膜设计和制备的难题。

聚合物电容器薄膜领域为提高电容器薄膜的能量密度主要技术手段是在聚合物电容器薄膜中引入具有高介电常数的无机纳米颗粒，通过提高复合材料的介电常数来提高其能量密度。但是该技术方法存在以下问题：为获得较高的介电常数，往往需要较高的无机纳米颗粒填充量，大容量无机纳米颗粒的填充很容易引起团聚，使复合材料内部产生缺陷。高介电常数的纳米颗粒和低介电常数的聚合物电容器薄膜之间巨大的介电常数差异会导致复合材料内部电场畸变，复合材料内部实际最高电场强度远高于外加电场。高介电常数无机纳米颗粒的电导率较高，使得复合材料泄漏电流高于纯聚合物。上述因素使得复合材料介电强度下降、能量损耗增加、充放电效率降低。同时纳米复合材料的加工过程往往比较复杂，需要用到一些专用加工设备，同时在加工过程中还会使用到一些会有环境污染的化学试剂。