高温介电储能用共聚物、纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高温介电储能用共聚物及其纳米复合材料，包括基材与分散在基材中的六方氮化硼纳米片；所述基材为聚酰亚胺‑聚酰胺酸共聚物，该共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。与现有技术相比，本发明专利技术提供的纳米复合材料以共聚物为基材，通过亚胺化对聚酰亚胺及聚酰胺酸摩尔百分含量的调控，表现出高击穿场强和高能量密度；同时分散于共聚物基材内部的氮化硼纳米片具有高热导率、高绝缘性以及大长径比的特点，可以有效提升纳米复合材料在高温下的击穿场强和储能效率，从而得到可用于介电储能，特别是可以在高温介电储能领域应用的共聚物基纳米复合材料。

【技术实现步骤摘要】
高温介电储能用共聚物、纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于介电储能材料
，尤其涉及高温介电储能用共聚物、纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
能量存储材料的研究具有重要的科学意义和应用价值。与超级电容器和锂离子电池等的储能性能相比，介电储能电容器拥有更高的功率密度，非常适合应用于混合动力汽车、航空航天等领域。其中，耐高电压、易加工的柔性聚合物及聚合物基纳米复合材料是最具应用潜力的介电储能材料之一。然而，聚合物电介质的损耗随温度升高而指数增长，导致聚合物材料电容器在高温下击穿场强、储能密度、储能效率等性能降低，无法满足在高温环境中稳定运行的要求。比如目前广泛应用于混合动力汽车中的双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜就是一种柔性聚合物材料，其工作温度一般低于105℃，而汽车发动机附近的环境温度为140℃～150℃(Y.ZhouandQ.Wang,Advancedpolymerdielectricsforhightemperaturecapacitiveenergystorage,JournalofAppliedPhysics,2020,127(24),240902)。为了使BOPP薄膜电容器正常工作，需要配备相应的冷却装置，造成了空间及能源的浪费。而且，由于BOPP材料的相对介电常数较低(约2.2)，因此其在室温下的可循环能量密度也较低，通常低于2J/cm3(B.Liu,M.H.Yang,W.Y.Zhou,H.W.Cai,S.L.Zhong,M.S.ZhengandZ.M.Dang,Highenergydensityanddischargeefficiencypolypropylenenanocompositesforpotentialhigh-powercapacitor,EnergyStorageMaterials,2020,27,443-452.)。所以，我们亟需得到可以应用于高温环境的聚合物基纳米复合材料，使其在耐高温的基础上具有较高的击穿场强、能量密度以及储能效率，同时具有较低的生产成本。基于耐高温、低成本的聚合物材料，通过添加无机纳米填充物构建纳米复合材料是优化高温介电储能性能的重要策略。比如，Ai等人通过在聚酰亚胺聚合物中添加氧化铝、氮化硼等纳米添加物，将其150℃下的击穿场强由较低的314MV/m提高到了422MV/m。然而，该聚合物基体材料的介电储能性能较差，在150℃下，基材在250MV/m时的最大储能密度仅为0.82J/cm3，对应的储能效率也只有55.7％(D.Ai,H.Li,Y.Zhou,L.L.Ren,Z.B.Han,B.Yao,W.Zhou,L.Zhao,J.M.XuandQ.Wang,TuningNanofillersinInSituPreparedPolyimideNanocompositesforHigh-TemperatureCapacitiveEnergyStorage,AdvancedEnergyMaterials,2020,10(16),1903881.)。目前尚无能够在高温下使用的聚合物基介电储能材料。可以预见，设计并制备新型的耐高温、高击穿场强、高能量密度的聚合物基体材料，结合施用相应纳米添加物策略，将能够显著提升材料的高温介电储能特性。而能够用于高温介电储能的新型聚合物材料的设计及其制备方法的专利技术，是实现优质高温介电储能的核心问题之一。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种耐高温、并具有高击穿场强和高能量密度的聚合物及基于此的纳米复合介电储能材料及其制备方法。本专利技术提供了一种高温介电储能用聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。优选的，所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物按照以下方法制备：将聚酰胺酸溶液与溶剂混合，得到混合物溶液；将所述混合物溶液流延加热后，得到聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述加热的温度不超过300℃。本专利技术还提供了一种高温介电储能用纳米复合材料，包括基材与分散在基材中的六方氮化硼纳米片；所述基材为聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。优选的，所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为30％～60％；所述六方氮化硼纳米片在纳米复合材料中的体积百分数大于0小于等于1％。优选的，所述纳米复合材料按照以下方法制备：将聚酰胺酸溶液、适量六方氮化硼纳米片与溶剂混合，得到混合物溶液；将所述混合物溶液流延加热后，得到纳米复合材料；所述加热温度不超过300℃。优选的，所述加热为分步加热；所述分步加热的步数为2～5。优选的，所述加热的步骤具体为：70℃～90℃保持10～30min，然后升温至110℃～130℃保持20～40min，再升温至150℃～170℃保持20～40min。优选的，所述加热的步骤具体为：70℃～90℃保持10～30min，然后升温至110℃～130℃保持20～40min，再升温至150℃～170℃保持20～40min，最后升温至180℃～230℃保持30～80min。优选的，所述加热的步骤具体为：80℃保持20min，然后升温至120℃保持30min，再升温至160℃保持30min，最后升温至200℃保持60min。本专利技术还提供了上述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物材料或上述纳米复合材料作为介电储能材料，特别是耐高温介电储能材料的应用。本专利技术提供了一种用于介电储能的聚酰亚胺(PI)-聚酰胺酸(PAA)共聚物材料；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。与现有技术相比，本专利技术提供的共聚物，通过亚胺化实现对PI及PAA摩尔百分比的调控，从而表现出高击穿场强和高能量密度，进而可用作介电储能材料。进一步，本专利技术还提供了一种用于介电储能，特别是可用于高温介电储能的纳米复合材料，包括基材与分散在基材中的六方氮化硼纳米片(BNNS)；所述基材为聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。与现有技术相比，本专利技术提供的纳米复合材料以聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物为基材，通过亚胺化实现对PI及PAA摩尔百分比的调控，从而表现出高击穿场强和高能量密度；同时分散于共聚物基材内部的氮化硼纳米片具有高热导率、高绝缘性以及大长径比的特点，可以有效提升复合材料在高温下的击穿场强和储能效率，从而得到可以在高温介电储能领域应用的纳米复合材料。实验结果表明，室温下，最终加热温度为200℃制备的PI摩尔百分含量为54％的0.54PI-0.46PAA共聚物基材的击穿场强大于620MV/m，能量密度大于8.0J/cm3；在150℃的高温环境下，0.54PI-0.46PAA共聚物基材的击穿场强为517MV/m，能量密度为4.4J/cm3；当添加了0.1vol％的BNNS后，共聚物基材的击穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温介电储能用聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温介电储能用聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。


2.根据权利要求1所述的高温介电储能用聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物，其特征在于，所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物按照以下方法制备：
将聚酰胺酸溶液与溶剂混合，得到混合物溶液；
将所述混合物溶液流延加热后，得到聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；
所述加热的温度不超过300℃。


3.一种高温介电储能用纳米复合材料，其特征在于，包括基材与分散在基材中的六方氮化硼纳米片；
所述基材为聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物；
所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为10％～90％。


4.根据权利要求3所述的高温介电储能用纳米复合材料，其特征在于，所述聚酰亚胺-聚酰胺酸共聚物中聚酰亚胺的摩尔百分含量为30％～60％；
所述六方氮化硼纳米片在纳米复合材料中的体积百分数大于0小于等于1％。


5.根据权利要求3所述的高温介电储能用纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料按照以下方法制备：
将聚酰胺酸溶液、适量六方氮化硼纳米片与溶剂混合，得到混合物溶液；
将所述混合物溶液流延加热后，得到纳米复合材料；...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴智展，包志伟，罗振，殷月伟，李晓光，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34