[发明专利]一种带有二氧化钛纳米棒阵列的电介质薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有二氧化钛纳米棒阵列的电介质薄膜的制备方法，属于电介质材料技术领域。

背景技术

电介质电容器是一种重要的储能器件，是由电介质材料夹在两层导电电极之间构成的。电介质电容器以其超快速的充放电性能、相对低廉的价格而广泛应用于储能设备、功率调节设备、脉冲功率系统、电动汽车系统、医疗设备、武器系统等。但其储能密度与电池和超级电容器相比，差了一个数量级。目前商业化的电介质材料为BOPP，在～6MV/cm的高击穿场强下，储能密度仅为～2J/cm³。因此，制备高储能密度的电介质材料成为了学界热点。

储能密度(U_e)的计算式如下式所示，其中E为电场强度，D为电位移，D_max为能达到的最大电位移。

因此，想要提高电介质材料的储能密度，应该提高同一电场下的电位移，和材料能承受的最大电场强度，即击穿场强。而电位移与材料的介电常数ε_r和承受的电场强度成正比，因此还可通过提高材料的介电常数来提高储能密度。同时，电容器的发热性和能量损失率决定于介电损耗，所以电介质材料的介电损耗也应该尽量降低。

电介质材料主要有陶瓷和聚合物两大类。陶瓷电介质材料的介电常数高，但击穿场强小，密度高、脆性大，加工性能差，且常常需要在高温下烧结；聚合物电介质材料的介电常数小，但击穿场强大，密度小，具有柔性，易于加工，常温下即可制备。因此，常以聚合物为基底，加入陶瓷填料以提高其介电常数和电位移，进而提高储能密度。制备出的陶瓷/聚合物具有相对高介电常数、高击穿场强、高储能密度、易于制备和加工等优点。常用的聚合物基底包括介电性能优异的PVDF及其共混物，聚酰亚胺，PE等；陶瓷填料包括TiO₂，ZnO，BaTiO₃，SrTiO₃，PZT等。由于提倡环保，目前的研究主要集中在以无铅陶瓷为填料方面。

目前报道的聚合物基电介质材料的储能密度一般不超过10J/cm³，除非该材料能承受超高击穿场强。ZhangXin等人利用静电纺丝技术制备出了内含BaTiO₃颗粒的TiO₂纳米纤维，并将其与PVDF-HFP复合，得到了在8MV/cm的超高场强下储能密度达31.2J/cm³电介质材料。这是目前报道的聚合物基陶瓷复合材料所能实现的最高储能密度，且该材料的储能效率在8MV/cm时仍达78％。Sujoy Kumar Ghosh等人将蒙脱土与PVDF复合，制备出了在8.7MV/cm的场强下储能密度达24.9J/cm³的电介质材料，其储能效率～60％。但上述材料均需在极高场强下才能达到如此高的储能密度，这意味着需施加极高的电压(通常大于7000V)，或者制备出极薄的电介质薄膜，但上述两种方案在工业上均难以实现。因此，开发在中低场强下具有高储能密度、高储能效率、成本低廉、易于制备的电介质复合材料成为本技术领域的重要任务。

发明内容

本发明的目的是提出一种带有二氧化钛纳米棒阵列的电介质薄膜的制备方法，以使制备的电介质薄膜击穿场强达到3.7-5.1MV/cm，室温储能密度可达10.7-17.5J/cm³，并具有80-86％的超高储能效率。

本发明提出的带有二氧化钛纳米棒阵列的电介质薄膜的制备方法,包括以下步骤：

(1)用乙醇、异丙醇或丙酮以及去离子水，以体积比1:1:1配成的溶液，超声清洗导电玻璃基片，超声清洗时间为30-60分钟，将基片晾干后置于聚四氟乙烯容器中；

(2)将质量浓度为36％的浓盐酸与去离子水配成摩尔浓度为4-6mol/L的盐酸溶液，在盐酸溶液中加入1％-3％体积比的钛酸四正丁酯，搅拌5-15分钟，得到反应液，将反应液倒入上述放有基片的聚四氟乙烯容器中，将聚四氟乙烯容器转移到不锈钢水热反应釜中，在150-200℃温度下，水热反应4-12小时，反应结束后使不锈钢水热反应釜降至室温；

(3)从不锈钢水热反应釜中取出基片，基片上长有TiO₂纳米棒阵列；用去离子水或酒精反复清洗基片至清洗液呈中性，将清洗后的基片置于摩尔浓度为10^-3-10^-2mol/L的多巴胺盐酸盐水溶液中，在55-65℃下，反应10-20小时，反应结束后，取出基片，用去离子水或酒精反复清洗，并烘干；