一种多重微超构电容器及其制备方法

本发明涉及介电储能材料，更具体的说是涉及一种多重微超构电容器及其制备方法。

背景技术：

1、聚合物电介质材料具有击穿场强高、损耗低、易加工、密度小、可自愈等多项优势，被广泛用作电容器材料，国内外研究机构投入了大量的人力物力将其作为重点研究对象。

2、储能密度是评估聚合物电介质性能的主要指标，然而，大部分纯聚合物电介质的储能密度较低。随着新能源汽车、光伏发电以及航空航天、国防军事等领域的发展，人们对聚合物电介质提出了更严格的要求，对电介质储能密度的要求也日益提高。因此，开发具有高储能密度的高端聚合物电介质具有重要意义。

3、电介质处于电容器组成的电场中，电场变化会导致电介质材料产生电位移，在电场强度作用下，电位移的微小变量会引起能量密度变化量，因此电容器的储能密度与电位移的微小变量会引起能量密度变化量以及其击穿强度有关。大部分的聚合物属于线性电介质，电位移与电场呈线性相关，因此薄膜电容器的储能密度与介电聚合物的介电常数和击穿强度成正相关。即，应尽可能提高聚合物电介质的介电常数和击穿强度，以获得高储能密度。

4、常见提高聚合物电介质的介电常数的方法包括：设计含有极性基团的聚合物，制备高介电常数填料与聚合物的复合材料，构建超构电容器，热拉伸、结晶处理等。与无机介电材料相比，聚合物的介电常数通常都较低，设计含有极性基团的聚合物以及热拉伸、结晶处理所能提升的介电常数有限。而制备高介电常数填料与聚合物的复合材料时一般会同时伴随着高的介电损耗。

5、因此，如何提高聚合物电介质的储能密度是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多重微超构电容器及其制备方法，以解决现有技术中的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多重微超构电容器，由50～5000个微超构电容器串联组成。

4、进一步，上述微超构电容器由厚度为0.1～2μm的正介电微层和厚度为0.1～2μm的负介电微层串联组成。

5、进一步，上述正介电微层由介电聚合物组成，介电常数为2.0～15.0。

6、进一步，上述负介电微层由介电聚合物和导电填料组成，介电常数为-100000～-10。

7、进一步，上述介电聚合物为聚芳醚腈、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯和聚丙烯中的至少一种。

8、采用上述进一步的有益效果在于，本发明所选介电聚合物具有良好的力学性能以及溶解性，可以通过相转化的方法得到具有蜂窝孔型的多孔膜，热压后获得正介电微层。

9、进一步，上述导电填料为碳纳米管、石墨烯、石墨炔和导电炭黑中的至少一种，质量为负介电微层质量的5％～50％。

10、采用上述进一步的有益效果在于，本发明所选导电填料具有优异的导电性能，在高浓度时可以在介电聚合物内部形成导电网络，从而显示出负介电性能，热压后获得负介电微层。

11、一种上述多重微超构电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

12、(1)将介电聚合物溶解于n-甲基吡咯烷酮，得到介电聚合物溶液；

13、(2)将导电填料和聚乙烯吡咯烷酮加入介电聚合物溶液中，超声搅拌，得到混合溶液；

14、(3)将混合溶液浇筑到玻璃基板上，刮成液膜，得到负载有液膜的玻璃基板；

15、(4)将负载有液膜的玻璃基板浸泡到无水乙醇中，得到复合物薄膜，室温放置，沥干表面水分，干燥，得到复合物多孔膜；

16、(5)将复合物多孔膜进行热压，即得多重微超构电容器。

17、进一步，上述步骤(1)中，介电聚合物为聚芳醚腈、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯和聚丙烯中的至少一种；介电聚合物溶液的质量浓度为5％～20％。

18、进一步，上述步骤(2)中，导电填料为碳纳米管、石墨烯、石墨炔和导电炭黑中的至少一种；导电填料与介电聚合物的质量比为(0.05～0.3):1；导电填料与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(0.2～1):1；超声搅拌的时间为0.5～2h。

19、采用上述进一步的有益效果在于，本发明所选聚乙烯吡咯烷酮与导电填料与之间有强的相互作用，在相转化过程中，一方面，聚乙烯吡咯烷酮与导电填料相互作用，另一方面，聚乙烯吡咯烷酮倾向于向形成的孔中迁移，进而带动导电填料向多孔膜孔壁富集。

20、进一步，上述步骤(3)中，液膜的厚度为50～500μm。

21、进一步，上述步骤(4)中，浸泡的时间为12～48h；室温放置的时间为12～24h；干燥的设备为鼓风烘箱，温度为60～80℃，时间为12～24h。

22、采用上述进一步的有益效果在于，在乙醇浴中经过相转化法，使导电填料分布/富集在蜂窝孔型复合物多孔膜的孔壁上。

23、进一步，上述步骤(5)中，热压的设备为热压机，压强为5～20mpa，温度为100～200℃，时间为0.5～2h。

24、采用上述进一步的有益效果在于，将复合物多孔膜热压成为致密膜时，复合物多孔膜骨架成为正介电微层，孔壁上的导电填料及少量的介电聚合物形成负介电微层，而且正负介电微层是交替存在的。

25、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

26、1、本发明针对现有技术中对聚合物电介质的介电常数提升不大或者介电常数提升时伴随介电损耗大幅增大的现状，提出由相邻正、负介电微层构建微超构电容器，再将多个微超构电容器串联组成多重微超构电容器以获得高介电常数同时保持较低的介电损耗，同时提出通过相转化法结合连续热压技术实现多重微超构电容器的可控制备。

27、2、本发明多重微超构电容器在10hz～1ghz频段，介电常数保持120以上，介电损耗正切值低于0.20，且制备方法操作简单，环境友好，避免原料浪费，设备要求低，成本较低，适合工业化连续和大量生产。

技术特征：

1.一种多重微超构电容器，其特征在于，由50～5000个微超构电容器串联组成。

2.根据权利要求1所述的一种多重微超构电容器，其特征在于，所述微超构电容器由厚度为0.1～2μm的正介电微层和厚度为0.1～2μm的负介电微层串联组成。

3.根据权利要求2所述的一种多重微超构电容器，其特征在于，所述正介电微层由介电聚合物组成，介电常数为2.0～15.0。

4.根据权利要求2所述的一种多重微超构电容器，其特征在于，所述负介电微层由介电聚合物和导电填料组成，介电常数为-100000～-10。

5.根据权利要求3或4所述的一种多重微超构电容器，其特征在于，所述介电聚合物为聚芳醚腈、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯和聚丙烯中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的一种多重微超构电容器，其特征在于，所述导电填料为碳纳米管、石墨烯、石墨炔和导电炭黑中的至少一种，质量为负介电微层质量的5％～50％。

7.一种如权利要求1所述多重微超构电容器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种多重微超构电容器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述介电聚合物为聚芳醚腈、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯和聚丙烯中的至少一种；所述介电聚合物溶液的质量浓度为5％～20％；

9.根据权利要求7所述的一种多重微超构电容器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述液膜的厚度为50～500μm；

10.根据权利要求7所述的一种多重微超构电容器的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述热压的设备为热压机，压强为5～20mpa，温度为100～200℃，时间为0.5～2h。

技术总结
本发明公开了一种多重微超构电容器及其制备方法，该多重微超构电容器由50～5000个微超构电容器串联组成；制备方法：(1)将介电聚合物溶解于N‑甲基吡咯烷酮；(2)加入导电填料和聚乙烯吡咯烷酮，超声搅拌；(3)浇筑到玻璃基板上，刮成液膜；(4)浸泡到无水乙醇中，室温放置，沥干表面水分，干燥；(5)热压，即得。本发明多重微超构电容器在10Hz～1GHz频段，介电常数保持120以上，介电损耗正切值低于0.20，且制备方法操作简单，环境友好，避免原料浪费，设备要求低，成本较低，适合工业化连续和大量生产。

技术研发人员：王玲玲,王再兴,焦亚垚,刘泳显,危仁波
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23