[发明专利]一种高储能密度全有机纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质复合材料制备技术领域，特别涉及储能密度高、复合温度低、制备工艺简单的一种高储能密度全有机纳米复合薄膜及其制备方法。

背景技术

为了得到高性能的储能电容器，很多科研人员把焦点集中到制备高储能密度电介质材料上。由于储能密度分别与材料的相对介电常数和耐压强度的平方成正比，因此制备同时具有高介电常数和高耐压强度的复合介质材料成为了该领域的研究热点。目前，储能电介质材料主要有三类：(一)陶瓷材料，如：碳酸钡(BaTiO₃)可以用化学溶液沉积法制成陶瓷薄膜，介电常数高达2500(J.Ihlefeld，B.Laughlin，A.Hunt-Lowery，et al，J.Electroceram.2005，14，95.)，但陶瓷材料需要较高的烧结温度，这会破坏电容器的基板材料。(二)聚合物材料，如：双向拉伸聚丙烯(BOPP)具有很高的耐压强度(640MV/m)，但是较小的介电常数(2.2)导致储能密度只有1.2J/cm³(M.Rabuffi，G.Picci，IEEE Trans.Plasma Sci.2002，30，1939.)，限制了它在储能电容器中的应用。(三)陶瓷填充聚合物材料，如：钛酸钡粉末填充聚酰亚胺复合材料，当钛酸钡粉末的填充量达到50vol％时，在100Hz下，复合材料的介电常数达到50(聚酰亚胺/钛酸钡复合膜介电性能及其影响因素的研究(II).功能材料[J]2008，2(39)pp.264-267)。但该方法的缺陷是，复合材料的介电常数随着陶瓷材料填充量的增加增长缓慢，而陶瓷材料的填充量过高时，易破坏复合材料的机械性能。并且填料与基体的介电常数相差较大，在受到外电场作用时，复合材料内部会产生不均一的电场，这会大大地降低复合材料的耐压强度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种兼有高介电常数和高耐压强度，同时制备工艺简单的高储能密度全有机纳米复合薄膜。

本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜由基体聚偏氟乙烯(PVDF)和填料导电聚苯胺(PANI)粉末组成；复合薄膜中，基体聚偏氟乙烯所占的体积百分比为95～99％，填料导电聚苯胺所占的体积百分比为1～5％；复合薄膜的厚度为25～30μm。

本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜的制备方法，如下：

1)将导电聚苯胺(PANI)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)和溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合后，球磨12±1h，得到前躯体溶液；其中，PANI与PVDF的质量比为(0.01～0.065)∶1，PVDF与DMF的体积比为1∶(19～20)；

2)将步骤1)中制备的前躯体溶液在玻璃板上涂膜后，于60±1℃干燥2±0.1h，得到厚度为25～30μm的高储能密度全有机复合薄膜。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜的介电性能好，在导电聚苯胺体积分数为5vol％(略高于渗流阈值4.1vol％)时，复合薄膜的介电常数高达456，较纯聚偏氟乙烯薄膜提高了约40倍；耐压强度高，电气强度达60MV/m；储能密度高，储能密度达到了7.2J/cm³，与聚偏氟乙烯基体相比提高了3倍多。

附图说明

图1、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数(a)和介电损耗(b)与频率的关系。

图2、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数(1000Hz条件下测得)与复合薄膜中导电聚苯胺的体积分数的关系；插图分别为介电损耗(tanδ)与复合薄膜中导电聚苯胺的体积分数的关系(左上小图)和介电常数与复合薄膜中导电聚苯胺的体积分数差值的关系(右下小图)。

图3、实施例7中制备的复合薄膜的表面SEM照片。

图4、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数、耐压强度和储能密度与复合薄膜中导电聚苯胺的体积分数的关系。

具体实施方式

下述实施例中所使用的PANI粉末和PVDF的重均分子量分别为5000、8000。导电聚苯胺和PVDF均为市售商品。

实施例1-9

将PANI粉末、PVDF和DMF加入到球磨罐中，球磨12h，得到前躯体溶液后，在玻璃板上展开，并置于鼓风烘箱中，于60℃下加热2h干燥，得到复合薄膜；其中，PANI粉末和PVDF的用量及复合薄膜中PANI粉末和PVDF所占的体积百分比如表1中所示，实施例1-9中溶剂DMF的用量均为20ml。