[发明专利]一种高储能密度介电复合多层薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于薄膜材料领域，并公开了一种高储能密度介电复合多层薄膜及其制备方法。该复合多层薄膜包括：顶层、中间层和底层，其中，顶层和底层的材料均为PEI，中间层的材料为PVDF，该中间层中填充有Ag包覆的纳米BaTiO₃颗粒，该复合多层薄膜在500～650MV/m的电场强度下最高达到20.6～21.3J/cm³的储能性能，储能效率最高达到80～82％。同时本发明还公开了该复合多层薄膜的制备方法。通过本发明，有效提高了电介质材料的储能密度、储能效率、击穿场强和温度稳定性。

技术领域

本发明属于薄膜材料领域，更具体地，涉及一种高储能密度介电复合多层薄膜及其制备方法。

背景技术

为了满足日益增长的电能需求，储能装置的发展受到了广泛的关注。在现有的电能存储设备中，介质电容器是唯一同时具有超快充放电能力、高工作电压和超高功率密度等优点的电能存储设备。因此，开发高效率的介质电容器成为现代电子设备或电力系统的目标，例如高频逆变器、医疗设备、脉冲发电、功率因数校正和混合动力汽车。

然而，与电池或超级电容器相比，介电电容器的平均低能量密度严重限制了其应用。例如，商用双向拉伸聚丙烯(BOPP)介质电容器在640mv/m的高电场下放电能量密度仅为1.2J/cm³左右。因此，为了实现更高的能量存储，脉冲功率器件中的介质电容器往往需要较大的体积和重量，因而成本较高。为了改善这种状况，最有效的方法是提高介质电容器的放电能量密度。

介电电容器系统中的电能是在电场的作用下，由介电材料的极化和去极化来储存和释放的。原则上，介电材料的放电能量密度(Ue)由：

其中，电位移(D)由介电常数(εr)确定，根据：

D＝ε₀ε_rE

因此，高的放电能量密度要求高的最大电位移(Dmax)(或高的εr)、低的剩余极化(Pr)和高的击穿强度(Eb)。

在众多的介电材料中，聚合物纳米复合材料是一种很有前途的材料，因为它们可以很容易地将铁电陶瓷填料的高εr与聚合物基体的高Eb相结合，从而获得较高的总能量密度，然而，面临的困境在于纳米复合材料的εr增加往往以Eb降低为代价，从而抑制了高Ue的实现。为了解决这一问题，人们采用了许多创新的方法，包括核壳结构中填料的利用、表面功能化纳米填料、具有协同功能的多纳米填料，但迄今为止效果并不十分令人满意。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高储能密度介电复合多层薄膜及其制备方法，其通过选取PEI作为顶层和底层，通过PEI高的剩余极化Pr和低的击穿强度Eb与PVDF低的剩余极化Pr和高的击穿强度Eb的互补作用，以此提高介电材料的击穿强度，通过在PVDF中填充的银包覆的BaTiO₃纳米颗粒，进一步提高介电材料的击穿强度，以此实现介电材料的储能密度、储能效率、击穿场强和温度稳定性的有效提高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高储能密度介电复合多层薄膜，该复合多层薄膜包括：顶层、中间层和底层，其中，顶层和底层的材料均为PEI，所述中间层的材料为PVDF，该中间层中填充有Ag包覆的纳米BaTiO₃颗粒，该复合多层薄膜在500MV/m～650MV/m的电场强度下最高达到20.6J/cm³～21.3J/cm³的储能性能，储能效率最高达到80％～82％。

进一步优选地，所述顶层和底层的厚度优选为5μm～8μm，所述中间层的厚度优选为2μm～2.2μm。

进一步优选地，所述中间层中填充的Ag包覆的纳米BaTiO₃颗粒的体积分数优选为2.5vol％～3.5vol％。