[发明专利]聚合物基复合电介质材料及其制备方法和储能器件

说明书

本发明公开了一种聚合物基复合电介质材料及其制备方法和储能器件，聚合物基复合电介质材料，包括叠层结构，所述叠层结构由第一聚合物层和第二聚合物层交替叠层后经热压制成，所述第一聚合物层的介电常数高于所述第二聚合物层的介电常数，所述第一聚合物层和所述第二聚合物层的玻璃化温度均＞150℃。本发明采用的叠层结构能够提高复合电介质材料的介电性能与击穿场强，层与层之间介电常数的差异，增加了材料界面极化，从而提高了材料的储能密度，本发明提供的聚合物基复合电介质材料在高温下能够保持很高的储能效率和具有较高的储能密度，在电容器等储能器件中具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及介电储能材料技术领域，尤其是涉及一种聚合物基复合电介质材料及其制备方法和储能器件。

背景技术

电介质储能材料具有本征的快速充放电能力，相较于其它储能材料而言，表现出了最高的功率密度，因此，电介质储能材料吸引了世界各国的研究机构和产业界广泛关注。其中，以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的聚合物基复合电介质材料经过短短几年的发展，储能密度已经超过了30J/cm³。然而，由于其本征的铁电损耗较大，大量的能量转化为热能而无法做为电能释放出来，从而致使该类材料的放电能量效率普遍偏低。同时，损耗热也会极大地增加器件的温度，而该类材料的工作温度不高于125℃。因此，即使储能密度很高，PVDF系列聚合物也无法得到工业界的认可，较难实现产业上的应用。目前在薄膜电容器行业得到广泛应用的双向拉伸的聚丙烯薄膜(BOPP)，在常温下其储能效率可以稳定地保持在80％以上。令人遗憾的是，该种材料也存在明显的缺陷，即不耐高温。BOPP通常的工作温度在70℃。虽然经过改性以后，工作温度可以提高到105℃，仍然无法满足薄膜电容器在众多应用领域的温度需求，而且其带来的成本的增加也不容忽视。聚酰亚胺(PI)的热稳定性很好，能够耐高温，但是由于其分子链极性较低，对应的储能密度也只有1.4J/cm³(参考文献1：Thakur VK,Gupta R K.Recent progress on ferroelectric polymer-based nanocomposites forhigh energy density capacitors:synthesis,dielectric properties,and futureaspects:ChemRev,2016,116(7):4260-4317.)。因此，寻找一种能够耐高温且具有优异放电能量效率和储能密度的电介质材料具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种聚合物基复合电介质材料及其制备方法和储能器件，该聚合物基复合电介质材料在高温下能够保持很高的储能效率和较高的储能密度。

本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种聚合物基复合电介质材料，包括叠层结构，所述叠层结构由第一聚合物层和第二聚合物层交替叠层后经热压制成，所述第一聚合物层的介电常数高于所述第二聚合物层的介电常数，所述第一聚合物层和所述第二聚合物层的玻璃化温度均＞150℃。热压方式的引入能够极大地增强层与层之间的界面相互作用，减少了能量损耗，使复合电介质材料能够保持较高的储能效率。多层的叠层结构可以有效提高复合电介质薄膜材料的介电性能与击穿场强。所述叠层结构可以为奇数层，即叠层结构按照第一聚合物层/第二聚合物层/……/第一聚合物层的交替顺序进行层叠，也可以为偶数层，即叠层结构按照第一聚合物层/第二聚合物层……第一聚合物层/第二聚合物层的交替顺序进行叠层。

优选地，在100～200℃，1kHz条件下，所述第一聚合物层和所述第二聚合物层的介电损耗均＜0.01。

优选地，所述第一聚合物层和第二聚合物层均为流延膜。

优选地，所述第一聚合物层中还填充有无机填料。在复合材料中，界面处两种材料介电常数的差异越大，所产生的界面极化越强，而极化强度正比于材料的储能密度。通过在具有较高介电常数的第一聚合物层中添加无机填料，能够提高介质薄膜的极化强度，从而进一步提高了材料的储能密度。