[发明专利]一种元素掺杂的BCZT/PVDF核壳材料、柔性膜、制备方法及电容器

说明书

本发明公开了一种元素掺杂的BCZT/PVDF核壳材料、柔性膜、制备方法及电容器，以锆钛酸钡钙Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCZT)作为无机填料，以Y、Mn为掺杂原料，以ZrO₂、DA分别作为无机和有机包覆材料，聚偏氟乙烯(PVDF)作为有机基体的BCZT/PVDF复合材料，显著提高柔性电容器的储能密度，该柔性电容器的介电常数可以达到22.8，通过溶胶‑凝胶‑水热法制备BCZT粉体，再通过溶胶沉淀法和自聚合反应进行核壳包覆，再由溶液共混流延法制备BCZT/PVDF复合膜，附加电极制备柔性电容器。复合填料含量较少(10wt.％)，保持了无机材料的柔韧性，节省了经济成本。同时，BCZT是环境友好型铁电材料，能够有效缓解含铅电容器报废对环境污染的问题。

技术领域

本发明属于介电材料制备技术领域，具体涉及一种元素掺杂的BCZT/PVDF核壳材料、柔性膜、制备方法及电容器。

背景技术

在当前的电容器应用领域，消耗的能源中大部分仍为化石能源，而可再生能源的开发利用还较为欠缺，电介质电容器凭借功率密度高、充放电速率快且抗疲劳性好等优点，应用场景广泛，为了使电容器具备一定的柔性，工业上会选用有机高分子材料作为基体与无机材料进行复合。高分子材料在经过成膜工艺后能够紧密包覆无机材料，实现对电容器的柔韧性的提高，并降低介电损耗。但是高分子材料的填充导致了介电常数的大幅度降低，性能上限制了其广泛应用。

特别是，近年来折叠手机，电子皮肤等产品层出不穷，柔性电容器的发展受到了各国重视。然而，目前商用的双向拉伸聚丙烯(BOPP)聚合物电容器仅可提供2J/cm³的能量密度。由于其能量密度很低，导致电容器的体积和重量都很大，严重影响了设备的小型化，柔性电介质的能量密度无法满足现代科技需求是目前面临的主要问题，它严重阻碍着电子设备的小型化发展。

实现柔性电容器高储能密度的目标必须使它同时具备高介电常数和低的介电损耗。有机高分子材料的柔性好且击穿强度高，但较低的介电常数仍然阻碍着它在实际应用中的进一步发展。所以将大介电常数的无机介质加入其中，形成有机-无机柔性复合材料，既可优化有机电介质的介电常数，又可保留其柔性，这也是当下柔性电容器研究中的重要方向。

锆钛酸钡钙(BCZT)/聚偏氟乙烯(PVDF)是一种兼顾了高介电常数和柔韧性的复合体系。通常为了保持较高的介电常数，大多研究会从提高无机铁电材料的质量占比，这样虽然可以保持较理想的介电常数，但是相对PVDF含量的减少极大的影响了电容器的柔性。

为了能够在保证高介电常数的同时提升柔韧性，近年来的研究都是大多都是从填料和制备工艺为切入点，对复合体系进行改进。其中PVDF作为首选材料来提升材料的柔韧性，但是在无机材料的使用上仍然较多，在应用上有一定限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种元素掺杂的BCZT/PVDF柔性膜、制备方法及柔性电容器，该柔性膜由核壳结构的材料复合而成，掺杂的元素为Y和Mn，能够提升高介电常数的同时提升柔韧性，改善填料与基体的相容性，减少介电损耗，提升储能密度，以进一步在柔性电容器中加以应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种元素掺杂的BCZT/PVDF核壳材料，包括：掺杂Y元素的BCZT为核或壳，掺杂Mn元素的BCZT为壳或核，形成第一核壳；第一核壳外依次包覆ZrO₂层和DA层，后与PVDF复合；按掺杂元素的百分摩尔量计，Y元素的掺杂量为0.3mol％，Mn元素的掺杂量为1～4mol％。

可选的，所述的Mn元素的掺杂量为1、2、3或4mol％。

可选的，所述的第一核壳的粒径为70～110nm；ZrO₂层的厚度为2～4nm，DA层的厚度为8～9nm；按BCZT与PVDF的质量比计，BCZT：PVDF＝1:10。