[发明专利]一种银-二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种银‑二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜及其制备方法，特点是该复合薄膜由银‑二氧化钛填料填充于聚偏氟乙烯基体中复合而成，银‑二氧化钛填料为核壳结构，其中核层为呈树皮状的表面包覆有片状二氧化钛的一维二氧化钛纳米线，壳层为修饰在片状二氧化钛表面的银纳米颗粒，其制备方法包括将制备得到的银‑二氧化钛填料分散在有机溶剂N‑N二甲基甲酰胺中，然后超声搅拌后，加入聚偏氟乙烯搅拌，采用溶液铸造法制备得到银‑二氧化钛填料体积分数为0.5‑2%的银‑二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜的步骤；优点是在较低电场强度下，具有极高的极化、较高的充放电效率和极高的能量密度。

技术领域

本发明涉及一种电介质复合薄膜，尤其是涉及一种银-二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着世界各国对减少二氧化碳排放和化石燃料消耗的需求不断增加，致力于太阳能、风能等间歇性、不稳定能源的高效电能存储技术，正成为可持续发展的必然选择。电介质电容器因其在电子电路、混合动力汽车、可再生能源存储设备等领域的广泛应用而备受关注。聚合物作为薄膜电介质电容器的首选材料，与陶瓷材料相比，具有易加工性、机械灵活性和高击穿强度等优点。然而，聚合物电介质材料的低能量密度导致电容器体积和重量超标，不能满足日益增长的微型化和轻便化的需求，例如，使用BOPP作为电介质，聚合物薄膜电容器只能提供1-2 J/cm³的能量密度。因此，如何在保持稳定性能的前提下，开发兼具高放电能量密度和充放电效率的电介质电容器具有深远意义。

电介质材料通过在外加电场下的极化和去极化过程，来实现电容器的充放电。因此，极化(P)和击穿强度(E_b)是影响电介质储能性能的两个决定性因素，其中P与介电常数(ε)有关。与ε值可达数百甚至数千的介电陶瓷相比，介电聚合物的ε值要低得多，这些聚合物的低介电常数(ε10)，限制了能量密度，从而限制了它们的应用。聚合物基纳米复合材料，它将聚合物基体的高E_b与纳米填料的高ε结合起来，具有实现高能量密度的潜力。要提高纳米复合材料的介电常数，往往需要高填充量的陶瓷颗粒填料，然而，由于两者相容性差，往往会产生填料聚集、空隙和其他结构缺陷，导致击穿场强大幅下降。少量的一维纳米填料(纳米线、纳米棒等)，利用其各向异性可以提高电场强度，但是对极化的提高非常有限。

聚合物基介电复合材料作为电容器中的重要构成材料，就必须要兼具介电常数高、储能密度大、柔韧性好、可操作电场大等优点，这就使传统的介电复合材料无法满足当下的实际需求。常用的传统介电聚合物如双向拉伸聚丙烯（BOPP）、聚酰亚胺（PI）、环氧树脂（EP）、聚苯乙烯（PS）等，虽然拥有超高的击穿场强（ 500 MV/m），但因其较低的介电常数（4），导致其无法应用于高储能领域。而聚偏氟乙烯（PVDF）有着较高的介电常数和柔性，使其成为高性能介电材料基体的首选。但是，想要获得高储能密度的聚合物基介电复合材料光靠聚合物基体的介电常数远远不够。因此，向聚合物基体中添加高介电填料被众多学者认可，成为时下研究的热点。

复合薄膜的能量存储性能主要由储能密度和充放电效率来体现。其中储能密度的大小由复合材料的介电常数和击穿电场强度决定，充放电效率则为放电能量密度占总能量密度的比值。现阶段对于提高复合材料介电性能的方法主要有向聚合物基体中填充高介电常数的绝缘陶瓷填料或者同时加入导电和绝缘的陶瓷纳米填料。由于高介电的陶瓷纳米填料的加入，复合材料的介电性能明显改善，储能密度得到了提升，但随着填料含量的增加，填料在基体中的分散性也会随之下降，缺陷和团聚的现象也不断增多，这会导致击穿场强急剧下降，同时材料本身的柔韧性也会遭到破坏。虽然利用多种材料的优点制备得到复合材料可以提升储能密度，但最大的缺点是充放电效率低，因为多种填料在聚合物基体中很难实现均匀分散，容易发生团聚和相互缠绕，使复合材料的损耗和漏电流增大，储能效率明显降低。