[发明专利]具有MHz高介电常数的超构电容器材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有MHz高介电常数的超构电容器材料的制备方法，属于电化学领域。上述具有MHz高介电常数的超构电容器材料的制备方法，包括：步骤1：负介电层材料石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料的制备；步骤2：在石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料上制备环氧树脂涂层。本发明提供的具有MHz高介电常数的超构电容器材料的制备方法，工艺简单，获得具有高频率高介电常数的超构电容器材料在100MHz‑1GHz频段，介电常数保持100以上，介电损耗正切值低于0.15，突破了介电弛豫对电容器性能的制约。

技术领域

本发明涉及一种超构电容器材料的制备方法，特别涉及一种具有MHz高介电常数的超构电容器材料的制备方法。

背景技术

电容器作为三大类电子元器件之一，在电子工业市场中占有率高达69％在脉冲能量存储与释放、滤波、调谐以及传感等领域具有广泛应用。近年来随着“中国制造2025”的提出，针对国防、通讯等领域的重大需求，高功率、小型化、高频化已成为电子工业发展的重要方向，对电容器的容量、能量密度提出了更高的标准。高容量要求材料具有高的介电常数，高能量密度要求材料同时具有高介电常数和高击穿场强。

目前，常用的电容器材料一般分为高介电陶瓷和逾渗复合材料。高介电陶瓷具有较高的介电常数，应用最为广泛，但其击穿场强较低(0.1-1MV/cm)，限制了其能量密度的进一步提升。针对该问题，具有高击穿场强的高分子基逾渗复合材料近年来引起广泛关注，其击穿场强一般大于10MV/cm，比陶瓷高接近2个数量级，同时由于内部大量异质界面所导致的界面极化，使其介电常数在kHz频段可达100以上。但无论是高介电陶瓷还是逾渗复合材料，在10kHz以上频段介电增强效应会逐渐减弱，到了MHz频段甚至会消失。造成该现象的原因是由于随着频率的升高，电容器材料在kHz至MHz频段范围内会产生介电弛豫现象。介电弛豫现象的发生，会导致电容器材料的介电常数急剧降低，影响电容器的有效能量密度。因此，如何克服频率对介电增强效应的制约，探索一种高频介电增强方式对于新型电容器的开发具有重要的研究意义。

不同于正介电极化机制对于频率的敏感性，负介电性能由于其本身只与自由电子的等离子振荡相关，不存在弛豫行为且符合Drude模型的描述，相对于正介电材料有更宽的响应频段范围，可通过改变材料中的等效电子密度和有效电子质量，即通过改变金属功能体的含量以及分布状态来进行调节。

电容值与介电常数与电极面积成正比，与电介质材料厚度成反比。

电介质材料的协同效应可通过电容之间的串联公式推导。将电容器C1和C2串联，得到的串联电容：

一般而言，由于C₁和C₂均为正值，C_s将会小于C₁和C₂中的任何一个。但是，如果C₂为负值，且与正电容C₁的绝对值接近时，等效电容C_s的数值理论上可以为无穷大。负的电容意味着负介电常数，属于超材料性能，所以我们将此类叠层材料称为超构叠层材料，由超构叠层材料构成的电容器称为超构电容器材料。当正介电层ε_p和负介电层ε_n串联时，可得到的此类介电材料的等效介电常数ε_s为：

其中，N为负介电层和正介电层的厚度比。从公式(2)中我们可以看出：当公式中的分母趋近零时，可获得极高的介电常数。其关键点在于：调节负介电常数的大小，以实现正、负介电层的匹配。

因此，如果能够实现对负介电材料性能的精确调控，利用正-负介电协同增强效应，突破介电弛豫对电容器性能的制约，对新型电容器的研发具有重大研究意义。

发明内容