高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，首先通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层，再利用高介电常数层具有高介电常数的特点以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度，再利用高绝缘性能薄层的宽能带隙，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到提高其工作温度的目的，最终实现在高温高电场作用下仍然具有高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜。

Fabrication of High Temperature Capacitor Films with High Energy Density and Charging and Discharging Efficiency

The invention discloses a preparation method of high-temperature capacitor film with high energy density and high charge-discharge efficiency. Firstly, high dielectric constant layer and high insulation thin layer are deposited on the surface of polymer capacitor film by atmospheric pressure low-temperature plasma deposition technology, and then high dielectric constant layer is utilized to have the characteristics of high dielectric constant. Enhance the equivalent dielectric constant of the film, thereby increasing its energy density, and then use the wide band gap of the high insulation thin layer as the charge barrier layer, so as to effectively suppress the leakage current caused by the charge injection at the electrode under the action of high temperature and high electric field, thereby improving the high temperature and high electric field of the polymer capacitor film. The charging and discharging efficiency under the action of high temperature and high electric field can be achieved to improve the working temperature. Finally, the high temperature capacitor film with high energy density and high charging and discharging efficiency can be realized under the action of high temperature and high electric field.

【技术实现步骤摘要】
高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法
本专利技术涉及聚合物薄膜电容器领域，尤其涉及一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜的快速大规模制备方法。
技术介绍
电介质电容器具有极快的充放电速率(微秒级)和超高的功率密度(兆瓦每千克)，是一类极其重要的功率型储能器件，在电网调频、工业节能、关键医学设备、工业激光器、新能源汽车以及先进电磁武器等大功率储能和脉冲功率系统中发挥着关键作用。电介质电容器按照使用的介质材料主要可分为聚合物介质电容器、无机介质电容器、电解电容器等三类。其中以聚合物为介质材料的电容器——聚合物薄膜电容器，凭借其质量轻、加工性能好、生产成本低、介电强度高、自愈性好、集成组装工艺简单以及无液体介质等特点，目前已在电动汽车、风电、光伏、照明和铁路机车等行业中广泛应用。随着智能电网和新能源等产业的迅猛发展，薄膜电容器的需求还在逐年递增。尽管薄膜电容器已经得到了广泛应用，但是目前还存在两方面的问题，一是聚合物电容器薄膜的能量密度较低，二是聚合物电容器薄膜的工作温度不高。尽管薄膜电容器的功率密度极高(兆瓦每千克级)，但是其能量密度相对于其他储能技术，如电化学储能期间低1-2个数量级。电介质材料的能量密度低已经成为目前制约薄膜电容器发展的关键瓶颈。在动力系统中，如果电容器能量不足则需提高其充放电频率，这会导致电容器泄漏电流增加，从而导致发热量增加，与此同时能量密度不足必然导致设备体积庞大，难以解决其散热问题。这些因素将使电容器内部温度不断升高，最终导致热失稳。目前薄膜电容器在许多应用领域中的工作环境温度都高于室温，电场强度也较高。绝大多数聚合物电介质材料的最高使用温度在125℃以下，当温度逐渐升高到接近最高使用温度时，聚合物电介质材料的介电损耗急剧升高。尤其在高电场作用下，温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流(电导率)呈现指数级上升的趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。在高温、强电场条件下，目前高温聚合物电介质材料不能满足应用需求，主要存在两方面问题：一是聚合物电介质材料在高温条件下的电导损耗随电场强度增大而急剧上升，导致储能密度大幅下降。二是高温、强电场条件下聚合物电介质产生的大量电导损耗还会造成介质材料甚至无法在远低于其设计温度的环境下连续稳定工作，这是由薄膜电容器的热失稳现象所致。有效抑制高温高电场条件下的电容器薄膜的泄漏电流已经成为高性能电容器薄膜设计和制备的难题。聚合物电容器薄膜领域为提高电容器薄膜的能量密度主要技术手段是在聚合物电容器薄膜中引入具有高介电常数的无机纳米颗粒，通过提高复合材料的介电常数来提高其能量密度。但是该技术方法存在以下问题：为获得较高的介电常数，往往需要较高的无机纳米颗粒填充量，大容量无机纳米颗粒的填充很容易引起团聚，使复合材料内部产生缺陷。高介电常数的纳米颗粒和低介电常数的聚合物电容器薄膜之间巨大的介电常数差异会导致复合材料内部电场畸变，复合材料内部实际最高电场强度远高于外加电场。高介电常数无机纳米颗粒的电导率较高，使得复合材料泄漏电流高于纯聚合物。上述因素使得复合材料介电强度下降、能量损耗增加、充放电效率降低。同时纳米复合材料的加工过程往往比较复杂，需要用到一些专用加工设备，在加工过程中还会使用到一些会有环境污染的化学试剂。聚合物电容器薄膜领域为提高电容器薄膜的工作温度主要有两种技术手段。一是提高聚合物电容器薄膜材料的玻璃化转变温度，从而提高其工作温度。但是该技术方法只是通过电容器薄膜热性能的提高来改善其工作温度，并没有从根本上解决由于高温高电场作用下泄漏电流明显升高的问题。而由于泄漏电流的升高必然导致电容器内部的严重发热，从而造成电容器的热失稳现象。二是在电容器介质材料中引入具有高绝缘性能的二维纳米材料，如纳米氮化硼片，利用纳米颗粒的高绝缘性能来抑制复合材料在高温高电场作用下的泄漏电流。但是该技术方法的问题在于这种超薄的二维纳米材料必须通过溶液共混的方式均匀分散于聚合物基体中，而绝大部分高温聚合物电介质材料属于难溶甚至不溶的材料。同时超薄二维纳米材料与大部分高温聚合物电介质基体之间相容性较差，容易发生团聚，这种超薄二维纳米片还存在制备困难、成本造价高的问题，因此解决这一类的问题显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，在现有电容器薄膜的基础上，通过一种简单的薄膜表面处理方法，同时提高聚合物电容器薄膜的能量密度和充放电效率，以满足工业应用中在高温下具有高能量密度和高充放电效率的需求。为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层；利用高介电常数层具有高介电常数的特点以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度；利用高绝缘性能薄层的宽能带隙，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，最终达到同时提高聚合物电容器薄膜在高温下的能量密度和充放电效率的目的。进一步改进在于：所述大气压低温等离子沉积技术中的大气压低温等离子体的产生方式为介质阻挡放电方式，通过载气将前驱体吹入等离子体区，经高压电源激励，在介质阻挡板之间产生均匀稳定的大气压低温等离子体，在等离子体作用下，前驱体发生物理、化学变化从而在电容器薄膜表面进行沉积。进一步改进在于：所述大气压低温等离子沉积技术中包括两路气体：工作气体和载气，所述工作气体和载气为惰性气体、空气或其混合物。进一步改进在于：所述惰性气体包括氦气、氩气、氖气、氮气。进一步改进在于：所述高介电常数层为具有高介电常数的材料，如五氧化二钽、二氧化铪、二氧化锆，并对应于所选择的高介电常数层选择相应的前驱体，如五氧化二钽的前驱体选择为乙醇钽等，二氧化铪的前驱体选择为乙醇铪等，二氧化锆的前驱体选择为乙醇锆。进一步改进在于：所述高绝缘性能薄层为具有宽能带隙的材料，如二氧化硅、氮化硅，对应于所选择的高绝缘性能薄层选择相应的前驱体，如二氧化硅的前驱体选择为正硅酸乙酯、六甲基二氧硅烷、八甲基环四硅氧烷，氮化硅前驱体选择为氨气和甲硅烷。进一步改进在于：所述高绝缘性能薄层厚度在100nm-300nm。进一步改进在于：所述大气压低温等离子沉积技术中高压电源为微秒脉冲电源或纳秒脉冲电源或高频高压交流电源，电源参数调节标准为能够产生稳定持续的介质阻挡放电。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用大气压低温等离子体沉积技术，在现有聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层，通过在聚合物电容器薄膜表面沉积致密、均匀的高介电常数层和高绝缘性能薄层，利用高介电常数层的高介电常数提高薄膜整体的能量密度，利用高绝缘性能薄层的宽能带隙(低电子亲和能、高电离能)的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，最终达到在高温和高电场条件下同时提高聚合物电容器薄膜的能量密度和充放电效率的目的。2、本专利技术中采用的大气压低温等离子体沉积技术在大气压条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层；利用高介电常数层具有高介电常数的特点以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度；利用高绝缘性能薄层的宽能带隙，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，最终达到同时提高聚合物电容器薄膜在高温下能量密度和充放电效率的目的。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面先后沉积高介电常数层和高绝缘性能薄层；利用高介电常数层具有高介电常数的特点以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度；利用高绝缘性能薄层的宽能带隙，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，最终达到同时提高聚合物电容器薄膜在高温下能量密度和充放电效率的目的。2.根据权利要求1所述的高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述大气压低温等离子沉积技术中的大气压低温等离子体的产生方式为介质阻挡放电方式，通过载气将前驱体吹入等离子体区，经高压电源激励，在介质阻挡板之间产生均匀稳定的大气压低温等离子体，在等离子体作用下，前驱体发生物理、化学变化从而在电容器薄膜表面进行沉积。3.根据权利要求2所述的高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述大气压低温等离子沉积技术中包括两路气体：工作气体和载气，所述工作气体和载气为惰性气体、空气或其混合物。4.根据权利要求3所述的高能量密度及高充放电效率的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述惰性气体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琦，何金良，周垚，成桑，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11