[发明专利]一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于制备高储能密度电容器的GR‑TiO₂‑PVDF纳米复合材料的制备方法，将纳米石墨烯与纳米TiO₂弥散共掺入有机聚合物基体PVDF中，制得的GR‑TiO₂‑PVDF纳米复合材料的介电常数大大提升。同时，本发明还公开了一种利用上述制备方法制得的GR‑TiO₂‑PVDF纳米复合材料，该材料可用于制备高储能密度电容器，所制得的高储能密度电容器的介电常数提高至37、损耗降低、击穿场强提升至356.0MV/m、储能密度提升至20.5J/m³。本发明的制备方法操作简单，效率高，适合大规模生产，制得的GR‑TiO₂‑PVDF纳米复合材料介电性能优异，可有效地降低耗能，提升节能性能；电介质膜厚度可控，可微型化、轻型化并应用于集成电路；储能密度更高，电能存储能力提升，均匀电场的能力增强，适合应用在制备高储能密度电容器中。

技术领域

本发明属于电容器应用材料技术领域，具体涉及一种用于制备高储能密度 电容器的GR-TiO₂-PVDF纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

电容器作为一种十分重要的储能器件，被广泛应用于家电、交通、航空、 航天等各个领域。现今，随着电子集成技术的飞速发展，电容器也被要求趋向 于集成化、微型化、轻型化和高稳定性的方向。然而，电介质材料作为电容器 一个重要的组成部分，它的储能性能很大程度上决定了电容器的性能，提升电 介质材料的储能密度，可以很有效的提升电容器储存电荷和均匀电场的能力， 并且电容器能更加小型化、轻型化。在日常生活中，更高储能密度的电容器可 以在用电低谷期的时候将电能存储起来用在高峰期，实现电能最大化的利用， 达到能源可持续发展的目的。这要求电介质材料能有更高的介电常数、更低的 介电损耗、以及更高的耐击穿场强。

常见的有机高分子聚合物具有抗击穿性能好，介电损耗低，柔性强等特点， 但介电常数却相对较低；无机陶瓷材料具有非常高的介电常数，但其脆性大、 柔性弱等特点极大地限制了在工业上的应用。

PVDF薄膜电容器，其介电常数约为9.5，损耗为0.08，其储能密度约为 13J/cm³。通过填充TiO₂纳米级陶瓷材料制得的聚合物纳米复合材料；在制成 TiO₂-PVDF薄膜电容器后，其介电常数提升到了31，是PVDF薄膜电容器的3 倍左右，损耗基本上维持不变。TiO₂-PVDF薄膜电容器虽较PVDF薄膜电容器 在介电常数有较大的提升，但同时也带来了纳米复合材料的击穿场强显著降低 至200.0MV/m，稳定性也变低，因而，TiO₂-PVDF薄膜电容器的储能密度并没 能有效提升。此外，制得的纳米复合薄膜的厚度很大，响应时间长且不利于器 件的小型化，限制了其在某些高集成电路上的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO₂-PVDF 纳米复合材料及其制备方法，通过将少量纳米石墨烯与纳米TiO₂弥散共掺入有 机聚合物基体，制得GR-TiO₂-PVDF纳米复合材料，将该材料用于制备高储能 密度电容器，所得高储能密度电容器的介电常数提高至37，且损耗降低，同时 击穿场强提高和储能密度均得到较大提升，从而有效解决了上述问题和缺陷。

本发明所采取的技术方案是：

一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO₂-PVDF纳米复合材料的制备方 法，包括以下步骤：

S1.按比例称取纳米TiO₂、纳米GR、PVDF和溶剂，其中，纳米TiO₂、纳 米GR和PVDF作为溶质，DMF作为溶剂，且纳米TiO₂、纳米GR和PVDF的 质量比为1：399：9600；溶质与溶剂的用量比为1g：(10～30)L；