[发明专利]用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于储能电容器的亚纳米材料‑聚合物复合电介质薄膜及其制备方法和应用。该复合电介质薄膜包括聚醚酰亚胺和亚纳米材料，亚纳米材料至少有一个维度上的尺寸低于1nm。该复合电介质薄膜缺陷少，在高温环境中具有高击穿场强，高充放电效率和高能量密度。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

静电储能电容器由电介质和两端电极组成，是通过电介质在电场下的极化与去极化完成充放电的储能器件。相较于电池、超级电容器等依赖于化学过程的储能器件，基于物理过程的静电储能电容器具有极高的充放电速率、较宽的使用温度窗口(可达300℃)和极高的电压耐受能力(＞10⁵V)。因此，静电储能电容器被广泛应用于先进电力电子系统，尤其是在极端环境领域，例如电动汽车、电气化飞机、油气勘探平台、航母上的电磁脉冲系统等。

聚合物是一类具有广阔前景的电介质材料，相较于无机陶瓷，其具有击穿场强高、充放电效率高、价格低廉、柔曲性好、自愈性好等优势，适用于制备电介质薄膜。然而，聚合物电介质在高温度下会出现损耗的加剧，造成击穿场强，充放电效率和能量密度的下降。高含量宽禁带纳米无机填料的引入可以有效提升击穿场强和高温下的充放电效率，但存在着相容性差导致的界面绝缘性能恶化和高含量填料带来的柔曲性下降、成本上升等问题。

因此，新的高温储能性能优异的复合电介质薄膜亟待开发。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜及其制备方法和应用。该复合电介质薄膜缺陷少，在高温环境中具有高击穿场强，高充放电效率和高能量密度。

本发明的一个方面，本发明提出了一种用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜。根据本发明的实施例，该复合电介质薄膜包括聚醚酰亚胺和亚纳米材料，所述亚纳米材料至少有一个维度上的尺寸低于1nm。

根据本发明上述实施例的用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜，包括聚醚酰亚胺和亚纳米材料，亚纳米材料至少有一个维度上的尺寸低于1nm。发明人发现，PEI具有良好的溶解性、机械耐久性和热稳定性，但是高温下损耗高，充放电效率和能量密度低，而亚纳米材料至少一个维度上的尺寸低于1nm，亚纳米材料兼具有机材料的柔曲性和无机材料的机械强度，可以与PEI形成空隙和缺陷较少的界面，从而阻碍击穿路径的扩展，提高PEI在高温环境中的击穿电场强度、充放电效率和能量密度。由此，该复合电介质薄膜缺陷少，在高温环境中具有高击穿场强，高充放电效率和高能量密度。

另外，根据本发明上述实施例的用于储能电容器的亚纳米材料-聚合物复合电介质薄膜还可以具有如下技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述亚纳米材料的表面接枝有表面活性剂。由此，复合电介质薄膜质地均匀、缺陷少。

在本发明的一些实施例中，表面活性剂占亚纳米材料的质量分数为30％～70％。由此，复合电介质薄膜质地均匀、缺陷少。

在本发明的一些实施例中，所述亚纳米材料包括亚纳米片和亚纳米线中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述表面活性剂的碳原子数不大于二十。

在本发明的一些实施例中，所述表面活性剂包括油酸、油胺、十八酸和十八胺中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述亚纳米片包括氧化铜-磷钼酸亚纳米片、氧化锌-多酸亚纳米片和氧化铜-磷钼酸-银亚纳米片中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述亚纳米线包括羟基磷灰石亚纳米线、氧化铋-多酸亚纳米线、钙-多酸亚纳米线和氧化钼亚纳米线中的至少之一。