一种高储能效率铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种高储能效率铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途。本发明专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜含有偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物P(VDF‑co‑HFP)和六方氮化硼h‑BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100‑x)％P(VDF‑co‑HFP)–x％h‑BN，0<x≤7。本发明专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜具有高击穿场强、高储能密度以及高储能效率，且无铅环保、具有优异的储能性能，适用于高密度储能领域。

A ferroelectric polymer based dielectric thin film with high energy storage efficiency and its preparation methods and uses

The present invention relates to a high energy storage efficiency ferroelectric polymer based dielectric thin film, and its preparation method and use. Ferroelectric polymer based dielectric film of the invention contains vinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer six P (VDF Co HFP) and six boron nitride h BN, which, with the volume percentage, the ratio (100 x)%P (VDF Co HFP) - x%h BN, 0< x = 7. The ferroelectric polymer based dielectric thin film has high breakdown field strength, high energy storage density and high energy storage efficiency, and is lead-free, environmentally friendly, and has excellent energy storage performance. It is suitable for high-density energy storage.

【技术实现步骤摘要】
一种高储能效率铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途
本专利技术涉及一种高储能效率铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途，属于电介质材料领域。
技术介绍
介电电容器为基础的储能器件，比超级电容器和锂电池等以电化学为基础的储能器件具有更高功率密度、更低损耗以及更高工作电压等优点。因此，不仅仅是重要的基础电子元件，同时也广泛应用于电子电力系统、能源系统等方面基本的储能器件。目前商业化的聚合物基电介质材料比如BOPP的储能密度仅～2J/cm3，与电化学电容器或电池相比低了一至两个数量级。聚合物较低的储能密度成为其进一步发展和应用的瓶颈。陶瓷类电介质具有大的介电常数和较高的击穿场强，但是与聚合物薄膜电介质相比，其击穿场强仍不够高，并且体积大、非柔性，使得陶瓷类电介质在一些应用领域受到限制，而聚合物基电介质薄膜则具有柔性、体积小等特点，可以适应未来器件小型化、集成化等要求。在传统的高介电陶瓷材料和单一的聚合物薄膜材料发展高功率大容量电容器均存在若干弊端的情况下，人们把目光转向了以聚合物为基体，以无机物为填料的聚合物纳米复合电介质材料。因此，探索具有高储能密度的复合电介质是本领域的研究热点。目前在聚合物基电介质薄膜中已经实现了大于商用BOPP薄膜的2J/cm3的储能密度。其中具有代表性的材料如：Z.C.Zhang等人利用溶液法制备的P(VDF-co-CTFE)薄膜，该材料在400MV/m场强下的储能密度约7～10J/cm3，M.R.Gadinski以及B.Chu等人分别通过单轴拉伸法将此类薄膜的击穿场强提高至600～700MV/m，同时储能密度提高至20J/cm3左右。但是这些材料在制备过程中采用的溶液法不适合应用在大规模生产中。因此，开发具有高击穿场强、高储能密度和便于生产的聚合物基电介质薄膜电介质材料成为本领域当前的急迫任务。
技术实现思路
专利技术要解决的问题本专利技术的目的是提供一种铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途。本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜具有高击穿场强、高储能密度以及高储能效率，制备方法简单可行，便于生产。用于解决问题的方案本专利技术提供一种铁电聚合物基电介质薄膜，所述薄膜含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜，所述薄膜具有至少一个第一电介质层和与所述第一电介质层交替层叠的第二电介质层，所述第一电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7，所述第二电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜，所述薄膜的厚度为5～30μm，优选为6～20μm。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜，所述薄膜中，x为1～7，优选为1～5。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜，所述六方氮化硼h-BN的形貌为二维层状。本专利技术还提供一种根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1)、将所述六方氮化硼h-BN与所述偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)按配比在有机溶剂中混合，得到静电纺丝液1；任选的，将所述偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)在有机溶剂中溶解，得到静电纺丝液2；步骤2)、将所述静电纺丝液1进行高压静电纺丝，或将所述静电纺丝液1和所述静电纺丝液2交替进行高压静电纺丝，得到无纺布状纺丝体；步骤3)、将所述无纺布状纺丝体进行热压，自然冷却至室温后进行冷淬，得到铁电聚合物基电介质薄膜。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜的制备方法，所述六方氮化硼h-BN与所述偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)混合前，先经过剥离处理，剥离后得到少层六方氮化硼h-BN。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜的制备方法，所述步骤2)中，高压静电纺丝的≥5.5kV，收集轮的转速≥260转/分钟，溶液推进速度≥1mL/h。根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜的制备方法，所述步骤3)中，将所述无纺布状纺丝体在170～230℃，400～600dpi压力下热压25～60分钟。一种根据本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜在电气元件中的用途。专利技术的效果本专利技术所提供的铁电聚合物基电介质薄膜比纯聚合物电介质薄膜的储能效率高约10％，且无铅环保、具有优异的储能性能，适用于高密度储能。同时，本专利技术所提供的铁电聚合物基电介质薄膜兼具较小的介电损耗，是一种能够应用于多种电气元件，例如嵌入式电容器、静电储能元器件、脉冲功率元件等领域的材料。附图说明图1聚合物基电介质电容器的结构示意图。图2聚合物基电介质薄膜多层结构示意图。图3实施例2中制备的聚合物基电介质薄膜的截面SEM图。图4实施例3和对比例1中制备的聚合物基电介质薄膜的储能性能图。图5实施例3和对比例1中制备的聚合物基电介质薄膜的介电常数图。附图标记说明1：电介质电容器、2：电极、3：聚合物基电介质薄膜。3-1：第一电介质层、3-2：第二电介质层。具体实施方式本专利技术提供一种铁电聚合物基电介质薄膜，所述电介质薄膜含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7。另外，本专利技术提供一种铁电聚合物基电介质薄膜，所述薄膜具有至少一个第一电介质层和与所述第一电介质层交替层叠的第二电介质层，所述第一电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7，所述第二电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)。与其他铁电聚合物相比，例如PVDF等，单体六氟丙烯HFP与偏氟乙烯VDF共聚合后生成的P(VDF-co-HFP)，具有更狭长的电滞回线，是含氟铁电聚合物PVDF的优秀替代品。六方氮化硼h-BN俗称白石墨，其晶体结构和石墨相同，具有高度各向异性，本专利技术通过添加h-BN来改善聚合物内部的击穿环境，能够达到提高储能效率和储能密度的目的。本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜在室温下的击穿场强≥400kV/mm。当本专利技术的铁电聚合物基电介质薄膜具有多层时，可以具有1个或1个以上的第一电介质层，和1个或1个以上的第二电介质层，第一电介质层与第二电介质层交替层叠。具体而言，可列举出如下所示的叠层结构：第一电介质层/第二电介质层…/第二电介质层/第一电介质层，或第二电介质层/第一电介质层…/第二电介质层/第一电介质层，或第二电介质层/第一电介质层…/第一电介质层/第二电介质层。对于电介质层的层数上限没有特别的要求，只要生产工艺能够实现即可。优选的，所述薄膜包含1～13层电介质层，更优选为3～12层电介质层。电介质层数为大于等于3层时，多层结构可以有效提高所述薄膜的储能效率。本专利技术的铁电聚合物基电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述薄膜含有偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物P(VDF‑co‑HFP)和六方氮化硼h‑BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100‑x)％P(VDF‑co‑HFP)–x％h‑BN，0<x≤7。

【技术特征摘要】
1.一种铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述薄膜含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7。2.一种铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述薄膜具有至少一个第一电介质层和与所述第一电介质层交替层叠的第二电介质层，所述第一电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)和六方氮化硼h-BN，其中，以体积百分比计，两者的配比为(100-x)％P(VDF-co-HFP)–x％h-BN，0&lt;x≤7，所述第二电介质层含有偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物P(VDF-co-HFP)。3.根据权利要求1或2所述的铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述薄膜的厚度为5～30μm，优选为6～20μm。4.根据权利要求1～3任一项所述的铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述薄膜中，x为1～7，优选为1～5。5.根据权利要求1～4任一项所述的铁电聚合物基电介质薄膜，其特征在于，所述六方氮化硼h-BN的形貌为二维层状。6.一种根据权利要求1～5任一项所述的铁电聚合物基电介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾一，林元华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11