[发明专利]具有纳米结构嵌段共聚物的多层电介质膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2015年3月2日提交的名称为“具有纳米结构嵌段共聚物的多层电介质膜”的美国临时专利申请序号62/127,045的优先权，所述临时专利申请以引用的方式并入本文中。

技术领域

所公开的概念大体上涉及具有纳米或微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜，并且更确切地说，涉及由其构建的电容器。所公开的概念还涉及用于制备所述膜和所述电容器的方法。

背景技术

纳米技术是在包括电化学领域的广泛多种技术的开发和发展中日益采用的概念。已经研究并且开发纳米尺寸和微米尺寸的材料用于能量储存和转换装置，如电容器。电容器用于在电场施加下静电储存能量。常规电容器包括由电介质材料或薄片分隔的两块金属板或薄片。金属薄片和电介质薄片可堆叠形成交替层。电容器的效率通常取决于电介质材料的选择、层排列、电介质材料与金属板或薄片之间的介面以及温度。

图1示出了根据现有技术的常规电容器1，其包括金属盖2、电线3和呈卷绕构造的电介质5和金属7的交替膜。电介质5和金属7的交替膜的数目可变化，并且可包括两层电介质5和两片金属7，如图1中所示。所属领域中已知的电介质材料是单个聚合物，如聚丙烯。电介质5是由单个聚合物构成并因此，所得电容器1的性能通常是由单个聚合物，例如双轴取向聚丙烯(BOPP)的特性和取向来决定。

电容器1可使用所属领域中已知的传统制造技术形成。举例来说，已知挤压聚丙烯膜、堆叠聚丙烯膜与金属薄片并且将堆叠形成卷绕构造得到卷绕式电容器。

所属领域中需要具有改进特性的电容器并因此，需要具有如(但不限于)高介电强度的改进特性的电介质。除了如(但不限于)高介电常数的其它所期望的特性以外，电介质展现高强度将是有利的。举例来说，已知聚丙烯用作电介质是因为其具有高击穿强度。然而，聚丙烯的介电常数仅为2.2并因此存在关于可储存多少能量的限制。相比之下，聚偏二氟乙烯(PVDF)具有高介电常数，例如大于15，并且可储存大量能量，但是具有较差介电强度并因此无法用于高电压应用。电容器能够储存大量能量同时能够用于高电压应用将是有利的。因此，电介质材料和由其形成的电容器存在改进空间。

发明内容

需要新的电介质并且这一需要和其它需要由所公开概念的实施例来满足，所述实施例是针对包括纳米和微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜，其能够提供如高介电强度、高温、化学耐性和高介电常数的特性组合以改进电容器性能。

在一方面，所公开的概念提供一种电介质膜，其包括具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物。在某些实施例中，嵌段共聚物可为二嵌段共聚物或三嵌段共聚物。至少两种不同嵌段中的每一种自组装成相分离纳米结构。嵌段共聚物可相分离以形成片层、圆柱形、球形或螺旋形结构。两种不同嵌段各自基于其特性而选择。在某些实施例中，一种嵌段可因为其展现高电介质击穿强度而被选择，并且另一种嵌段可因为其展现高温电气强度或高电容率而被选择。两种不同嵌段各自可选自广泛多种聚合物，包括聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮和聚苯硫醚。

在某些实施例中，电介质膜另外包括选自纳米填料和微米填料的填料。填料可包括有机纳米填料、无机纳米填料、有机微米填料、无机微米填料及其混合物。在某些实施例中，填料可选自例如(但不限于)碳纳米管、石墨烯、二氧化硅、氧化铝、钛酸盐及其混合物。钛酸盐可选自二氧化钛、钛酸钡及其混合物。

至少两种不同嵌段各自可基于其展现所需特性的能力而选择。在某些实施例中，一种嵌段可展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段可展现高温电气强度。在其它实施例中，至少两种不同嵌段中的一种可展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段可展现高电容率。在又其它实施例中，至少两种不同嵌段中的一种可展现高电介质击穿强度，另一种嵌段可展现高温电气强度并且另一种嵌段可展现高电容率。另外，其中存在选自纳米填料和微米填料的填料，电介质膜可展现高电介质击穿强度、高温电气强度、高电容率和高介电常数中的一个或多个。

在另一方面，所公开的概念提供一种制备薄膜电容器的方法。所述方法包括获得具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物，使至少两种不同嵌段自组装形成薄膜电介质中的交替层，以及卷绕薄膜电介质和金属层形成呈卷绕式构造的电容器。

获得嵌段共聚物可包括组合并且聚合嵌段共聚物前体和填料。

选择嵌段共聚物前体可基于其特性并且可包括选择一种展现高电介质击穿强度的嵌段共聚物前体和选择另一种展现高温电气强度或高电容率的嵌段共聚物前体。