[发明专利]一种高储能钛酸锶钡/PVDF基聚合物复合材料及其制备方法

说明书

发明公开了一种高储能钛酸锶钡/PVDF基聚合物复合材料及其制备方法。钛酸锶钡填料包括钛酸锶钡纳米颗粒与钛酸锶钡纳米线，以硅烷偶联剂KH550改性，在钛酸锶钡表面引入氨基，使之同时具有高介电填料与交联剂功能。PVDF基聚合物通过无金属有机催化原子转移自由基聚合反应，引入聚甲基丙烯酸缩水甘油酯链段。将含端氨基的改性钛酸锶钡与具有PGMA链段的PVDF基聚合物进行复合，形成交联网络状结构，得到的复合材料产生电子势阱，可以有效抑制材料漏导电流、提高击穿场强，同时抑制介电损耗，介电损耗可降低至0.05左右(1kHz)，击穿场强最高可达600MV/m，剩余极化值显著降低，能量密度14～19J/cm³。

技术领域

本发明属于复合材料介电储能领域，具体涉及一种高储能钛酸锶钡/PVDF基聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

为了降低石化燃料的比例，大力发展清洁能源，提高新能源的高效存储与稳定输出，发展具有优异介电储能性能的电化学储能装置成为了一项重要的研究课题。电介质电容器由于具有较快的充放电速率和超高的功率密度，在脉冲功率电源、新能源汽车逆变器、嵌入式电容器等方面具有广阔的应用。电介质电容器的核心是具有高储能密度的电介质材料。常见的聚合物电介质包括双轴拉伸聚丙烯(BOPP)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)以及聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物。其中，聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)P(VDF-co-HFP)是一种通过引入六氟丙烯链段而降低结晶度的半晶聚合物，由于具有较大的介电位移和较小的剩余极化，同时击穿场强高、放电速度快、能长时间使用并可自修复等特点成为了高性能电容器的潜力候选材料，然而聚合物本身较低的介电常数限制了其储能密度。钛酸锶钡(BST)是具有高介电常数的无机陶瓷，因具有优良的介电性能和绝缘性能，被广泛用作填料来制备高储能密度复合电介质。

然而在低介电常数聚合物中加入高介电常数的填料也会带来一些问题。随着纳米陶瓷填料含量的增加，填料在聚合物基体中会出现团聚现象，与基体的界面相容性较差。在外电压的作用下，容易形成导电通路而造成击穿，导致了介电常数提高的同时也带来了击穿场强的下降。因此，对陶瓷填料进行表面改性，提高其分散性及其与聚合物基体的相容性，从而改善复合电介质的界面结构，是实现复合电介质良好介电储能性能的有效途径。同时，经过氨基改性的钛酸锶钡填料，可作为交联剂，将聚合物基体交联起来，所形成的聚合物交联网络可以提供电子势阱，有效抑制电荷在高电压下的移动，从而提高击穿场强，降低由漏导电流引起的能量损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高储能钛酸锶钡/PVDF基聚合物复合材料及其制备方法，对钛酸锶钡表面采用改性技术和化学接枝方式使陶瓷表面的化学基团与含氟聚合物基体中的基团进行化学反应，以提高无机填料与有机基体之间的分散均匀性与相容性，制备交联网络状结构的复合材料，交联网络产生的电子势阱，可以有效抑制材料漏导电流、提高击穿场强，同时抑制电导损耗，得到具有高介电常数和低介电损耗以及良好储能密度的复合电介质。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高储能钛酸锶钡/PVDF基聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钛酸锶钡加入到异丙醇水溶液中，混匀后向体系中加入硅烷偶联剂对钛酸锶钡进行表面改性处理，得到含有端氨基的钛酸锶钡，即NH₂-BST；

(2)在紫外光照射下，通过有机催化原子转移自由基聚合反应(O-ATRP)制备具有PGMA链段的PVDF基聚合物；

(3)将步骤(1)得到的NH₂-BST加入到极性溶剂中，混匀，得到分散液；将步骤(2)得到的具有PGMA链段的PVDF基聚合物溶于极性溶剂中，得到聚合物溶液；然后将所述的聚合物溶液加入到所述的分散液中，混匀，得到混合分散液；

(4)将步骤(3)得到的混合分散液流延成膜，烘干，淬火，即得。

具体地，步骤(1)中，所述的钛酸锶钡为钛酸锶钡纳米线或者钛酸锶钡纳米颗粒。