[发明专利]取向氧化锌纳米棒聚乙烯醇复合储能电容器材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合储能电容器材料及制备方法，采用水热法制备出氧化锌纳米棒，采用流延法结合电泳沉积法合成取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合材料，得到取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合材料，该方法制备的复合薄膜可提高聚乙烯醇的储能密度，该复合材料击穿场强大于1500kV/cm，储能密度2‑5J/cm³，可用于电容器、大功率静电储能的材料，具有简单易行、成本低、方便快速等优点，可规模化生产。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其是涉及取向氧化锌纳米棒聚乙烯醇复合储能电容器材料及制备方法。

背景技术

高储能密度电容器在现代工业及国防领域有广泛的应用，如脉冲功率系统、油气深井勘探、混合动力汽车、综合全电力推进舰艇等，在电力、电子系统中发挥日益重要的作用。储能电容器具有储能密度高、充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境和性能稳定的优点，符合新时期能源利用的要求，在电力系统中扮演着越来越重要的角色。目前研究最多的高储能电容器材料包括高介电铁电陶瓷材料、玻璃陶瓷、聚合物材料等，常见的高介电铁电陶瓷材料具有较高的介电常数，但加工过程中耗能较大（高温烧结），耐击穿场强低，可加工性差。而聚合物材料由于具有良好的柔韧性、击穿场强高、质量轻、加工温度低、可以大面积成膜等优点，被广泛应用，但介电常数较低（通常小于10），储能特性受到限制。因此，通过材料的复合效应，提高聚合物基复合材料的介电常数对制备高储能密度复合材料有着重要的影响。常见的方法，将高介电常数的铁电陶瓷颗粒填充到入聚合物中，形成某种复合结构（0-3、1-3或2-3型复合材料），将聚合物基体良好的柔韧性、耐击穿特性和陶瓷的高介电性能结合起来，得到具有高介电常数、低损耗、高击穿场强、柔性好、与等综合性能优越的复合材料，以满足嵌入式无源器件的实用化要求。

填料的形貌、有序排列是影响复合材料介电性能的重要因素。一维填料在复合材料内的有序排列也是影响复合材料储能性能的重要因素，相场理论模型和实验结果证明有序排列的大长径比填料若是平行排列在聚合物面内，且垂直于电场方向，将有利于缓解基体中电荷的局部聚集，使得复合材料具有较高的耐击穿场强。如果将具有纤维状结构的介电材料填充到聚合物基体中，形成均匀有序分布，充分发挥介电材料的优越性能，对复合材料的介电性能将会出现新的改变，从而可以很大程度上弥补由纳米球状颗粒所引起的缺憾。

目前制备一维填料/聚合物复合材料主要有三种方法：溶液混合、熔融混合和原位合成。虽然这些方法已经被广泛研究，但它们面临一个共同而关键的挑战：一维填料在聚合物中无规则聚集，复合材料无法充分利用一维填料优异的性能，严重限制一维填料/聚合物复合材料在很多领域的应用。为此，提出了采用采用流延法结合电场沉积法制备取向氧化锌纳米棒聚乙烯醇复合储能电容器材料。即将一维纤维状陶瓷粉体填料悬浮在聚合物基体中，在流延成膜的过程中纤维要受到一定的刮刀刮压涂覆的剪切力，进而在流动方向发生有序排列排列，同时结合电场沉积工艺进一步优化纤维在聚乙烯醇内的有序排列。

发明内容

本发明提出一种取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合储能电容器材料及制备方法，采用水热法制备出氧化锌纳米棒，采用流延法结合电泳沉积法合成取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合材料，得到取向氧化锌纳米棒/聚乙烯醇复合材料，该方法制备的复合薄膜可提高聚乙烯醇的储能密度，该复合材料击穿场强大于1500kV/cm，储能密度2-5J/cm³，可用于电容器、大功率静电储能的材料，具有简单易行、成本低、方便快速等优点，可规模化生产。

实现本发明的技术方案是：一种取向氧化锌纳米棒聚乙烯醇复合储能电容器材料，复合储能电容器材料包括氧化锌纳米棒和聚乙烯醇基体，其中氧化锌纳米棒的质量百分含量0.6-35.9 %，聚乙烯醇基体的质量百分含量为64.1-99.4 %。

所述复合储能电容器材料采用流延法结合电场沉积法制备。

所述复合储能电容器材料的击穿场强大于1500 kV/cm，储能密度为2-5 J/cm³。