[发明专利]一种二维复合三明治结构介电储能材料及制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高击穿、高储能密度的二维复合三明治结构高分子基介电储能材料及其制备方法与应用，制备方法包括：首先配制BNNS分散液以及SNNS与BNNS的混合分散液，并分别加入PVDF与PMMA，经加热搅拌得到BNNS溶胶与复合溶胶；之后以BNNS/BP为中间层、xBNNS/yD‑SNNS/BP为上下层，采用逐层流延法制备成三明治结构的复合薄膜，并经后处理即得到介电储能材料；所得介电储能材料可应用于电子信息、可再生能源转化、混合动力汽车、智能电网等领域中。与现有技术相比，本发明制备方法简单，成本低，所得有机无机复合介电储能材料具有优异的储能性能，其在660MV·m^‑1的击穿电压下，放电储能密度高达30.5J·cm^‑3，充放电效率为70.9％。

技术领域

本发明属于有机无机复合储能材料技术领域，涉及一种高击穿、高储能密度的二维复合三明治结构高分子基介电储能材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着人类文明的不断发展，能源的消耗不断增大，使得化石燃料等不可再生能源的使用年限不断缩减，据世界储量分析计算，煤炭可供人类使用年限仅为200 年，石油则为50年。此外，化石燃料燃烧增加了二氧化碳的排放，温室效应日益加剧，导致一系列自然灾害的发生。因此，可再生能源的开发和利用成为世界范围内替代化石燃料的主要手段。利用可再生能源的主要问题之一是能量的高效转化与存储。根据不同的储能原理，储能技术可以分为电化学储能、电气储能、电磁储能、热储能与机械储能。在众多储能器件中，电容器的功率密度最大、充放电速率最快，能最大的转化风能、潮汐能等间歇性可再生能源，并在电子信息、航空航天、智能电网及混合动力汽车等领域具有广泛的应用前景。相较于燃料电池、超级电容器等储能器件，介电电容器较低的储能密度无法满足电子器件小型化、轻量化、集成化的需求。因此开发高储能介电电容器成为该领域的研究热点和重点。

固态电介质储能材料的研究主要集中于四类：陶瓷、聚合物、有机无机复合材料和玻璃陶瓷。常见的陶瓷电介质材料具有很高的介电常数，但击穿场强很低，且由于柔性不好不易加工；聚合物击穿场强很高，但介电常数却很小，比如PVDF 的击穿场强高达600MV·m^-1，但其介电常数仅为10左右，严重限制了其储能密度。因此，通过一定的工艺将陶瓷电介质材料与聚合物复合得到的有机无机复合介电材料结合了陶瓷介电材料与聚合物电介质材料的优势，获得较高的介电常数以及击穿场强，从而实现储能密度的提高。陶瓷填料的尺寸对复合材料介电常数以及击穿强度存在非常大的影响。目前，大多数的研究集中于纳米颗粒及纳米线的复合。一般来讲，一维纳米线相较于纳米颗粒具有更大的长径比，有利于提高局域性电场，减少表面的能量，促进填料在聚合物基体的分散性。Lin等人将包覆二氧化钛的钛酸钡纳米纤维复合在PVDF中，在360MV·m^-1的外加电场下获得了10.94J·cm^-3的储能密度。二维纳米填料相较于纳米纤维具有更大的长径比，理论上能够更有效的改善复合材料的储能性能。Li等人在聚合物基体中引入二维超薄的氮化硼纳米片 (BNNS)明显改善复合材料的击穿场强、储能密度和充放电效率，在650MV·m^-1的电场下获得了20.3J·cm^-3的储能密度，充放电效率高达78％。这是由于BNNS 有高的长径比建立起高效的传导障碍，限制电荷向电极方向迁移和阻碍击穿过程中电子树的生长。但BNNS的介电常数相较于铁电聚合物PVDF更低，仅为3-5，因此只是单方面改善了复合材料的击穿性能，极化性能受到限制。Pan等人通过熔盐法制备出了一种二维铌酸钠模板作为填料引入PVDF中，在400MV·m^-1下获得了 13.5J·cm^-3的储能密度。由于铌酸钠模板厚度较厚，限制了其对复合介电材料储能性能的改善。其他常见的铁电陶瓷材料，如钛酸钡、钛酸锶、二氧化钛等，难以合成满足要求的二维纳米材料，所以开发超薄铁电二维纳米填料成为目前进一步改善复合介电材料储能性能的新途径。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高击穿、高储能密度的二维复合三明治结构高分子基介电储能材料及其制备方法与应用，用于解决现有介电储能材料的高介电击穿强度及高储能密度无法同时兼顾的技术问题。