一种基于石墨烯复合膜的薄膜电容器的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于薄膜电容器领域，更具体地，涉及一种石墨烯复合薄膜电容器的生产 技术。
【背景技术】
[0002] 现有的薄膜电容器是利用金属化复合膜薄膜制作电容器，即，通过真空镀膜机使 铝、锌或其它金属的加热熔化，真空蒸发条件下来完成对基材薄膜的表层金属化，形成电容 器的电极层。传统的薄膜电容器的基材一般为聚丙烯和聚酯薄膜，基材的厚度薄；为了获 得较大的电容，需要将材料卷制到足够长，获得的薄膜电容器可以用于交直电路。薄膜电容 器及其制备方法的缺点是金属镀层结构不致密、杂质含量大，镀层的金属膜层在大气下极 其容易氧化，导致金属膜层质量和成品率降低。上述诸多缺点对电容器使用寿命影响巨大， 在金属化加工中容易对基材薄膜造成很大的损伤，降低介电强度（基材厚度可减少1/4~ 1/5,严重影响其介电强度）。更严重的是，金属化复合膜电容器在工作运行中容易受到环境 温度和湿度等因素的影响，导致工作运行可靠性大大降低。在电场作用下易发生电化学反 应和空气电离，因而存在一定安全隐患。
[0003] 石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，作为一种新型材料其应用 仍在不断探索中。微型石墨烯超级电容器就因其超级电容的效果受到世界瞩目，但这种微 型石墨烯超级电容器与薄膜电容器的结构上存在较大差异，超级电容器是基于电化学原理 的超级电容器，一般需要配合电解液使用，超级电容器在分离的电荷中存储能量，用于存储 电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大；由于超级电容器内电阻大，往往不 可以用于交流电路。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的上述缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯复 合膜的薄膜电容器的制备方法，其中通过对其关键电极层的材料、制备工艺参数等进行改 进，与现有技术相比，本发明涉及的方法能够有效解决金属化复合膜电容器金属镀层结构 不致密、杂质含量大的问题，并且加工工艺对基材的损伤降低，按照本发明方法制备的薄膜 电容器的性质稳定、使用寿命长。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于石墨烯复合膜的薄膜 电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] (1)在70°C~110°C的温度下，将浓度为0?lmg/ml~lOOmg/ml的氧化石墨稀水溶 液涂覆在绝缘薄膜上，形成厚度不小于100A的涂覆层；涂覆速度为3m/s~30m/s;
[0007] (2)将步骤（1)得到的具有涂覆层的绝缘薄膜展平；接着，将该具有涂覆层的绝缘 薄膜置于温度为30°C~120°C的烘箱内烘干固化；所述烘干的时间为5分钟~60分钟；
[0008] (3)将步骤（2)得到的薄膜在保持展平的状态下，用质量浓度为1%~50%的氢碘 酸溶液还原；所述的还原时间为5分钟~90分钟；然后，将所述薄膜在温度为30°C~120°C 的烘箱内烘干，得到石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜；
[0009] (4)将步骤（3)得到的石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜预留屏带，然后切割、卷绕，最 终形成薄膜电容器。
[0010] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（1)中所述涂覆时覆膜压力为Ibar~lObar。
[0011] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（1)中的涂覆层的厚度为100A~丨000A。
[0012] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（1)中的绝缘薄膜为聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙 烯和聚碳酸酯薄膜中的任意一种，绝缘薄膜的厚度为4微米~12微米。
[0013] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（2)中将具有涂覆层的绝缘薄膜展平是通过 将具有涂覆层的绝缘薄膜传送入薄膜张力调平装置进行的。
[0014] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（2)中的烘箱为鼓风烘箱。
[0015] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（2)中在温度为120°C的烘箱内的烘干时间 不超过15分钟。
[0016] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（3)中用质量浓度为50%的氢碘酸溶液还原 的时间不超过10分钟。
[0017] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0018] 1.本发明得到的基于石墨烯复合膜的薄膜电容器，采用石墨烯代替了传统薄膜电 容的金属（如铝、锌等），由于石墨烯自身电阻率低、可弯曲的性质，得到的薄膜电容器能量 密度、功率密度大。并且，石墨烯材料的强度大、韧性好，其覆膜合成技术简单；由于采用溶 液的涂覆工艺，减小了制备过程对基材薄膜（即绝缘薄膜）的损伤，保证了绝缘薄膜的介电 强度，有效的提高了抗电强度以及电容器的使用寿命，为薄膜电容器的性能提供了有利保 障。
[0019] 由于石墨烯材料的比表面积高、致密性好，得到的基于石墨烯复合膜的薄膜电容 器的能量密度、功率密度大，能够进一步减小电容器的体积，增大电容量，降低成本。石墨烯 复合膜制作釆用物理合成技术对环境无污染，生产电容器更清洁。在相对于现有金属化薄 膜电容器的使用环境要求更低，耐温、耐热、防爆抗击穿能力更强。在大气环境中工作运行 的石墨烯复合膜薄膜电容器性能远超传统金属化薄膜电容器，使得石墨烯复合膜薄膜电容 器有广泛的应用领域。
[0020] 2.通过对制备工艺中的参数进行调整，进一步保证了基于石墨烯复合膜的薄膜电 容器的品质。在石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜电容器中，石墨烯作为电极层，既要与绝缘薄 膜间有较强的附着力，又要覆盖均匀确保良好的导电性。
[0021] 以在绝缘薄膜上涂覆氧化石墨烯水溶液形成涂覆层为例，为了形成均匀厚度可控 的涂覆层，涂覆层的厚度不小于100A(可进一步优选为IOOA~1000A，IA=O.lnm)， 氧化石墨稀水溶液的浓度为0.lmg/ml~100mg/ml;覆膜温度应控制在70°C~110°C之间， 温度决定着氧化石墨烯水溶液的状态，并且会影响氧化石墨烯水溶液向绝缘薄膜的渗透和 扩散，对形成的涂覆层的形貌具有至关重要的影响。覆膜时，覆膜压力也会影响形成的涂覆 层的品质，压力过小则黏结不牢，压力过大则可能导致涂覆层与基材材料产生过多缺陷，本 发明覆膜压强优选为Ibar~lObar，涂覆层与绝缘薄膜的黏结效果好。涂覆覆膜的生产速 度对应着绝缘薄膜与氧化石墨烯水溶液的接触时间，并受氧化石墨烯水溶液浓度的影响， 本发明中的涂覆覆膜的生产速度为3m/s~30m/s，在该速度下氧化石墨烯水溶液与绝缘薄 膜的接触效果良好。本发明中的在绝缘薄膜上覆膜得到涂覆层结构的工艺，可直接使用涂 覆膜机实现。
[0022] 在对具有涂覆层的绝缘薄膜进行烘干固化的阶段，通过薄膜张力调平装置（即通 过调节张力辊的传感器来调节薄膜的展平效果），可以使薄膜始终保持良好的表面平整性， 确保固化后的氧化石墨烯涂覆层的平整性与均匀性。
【附图说明】
[0023] 图Ia是石墨烯二维结构示意图，图Ib是氧化石墨烯水溶液；
[0024] 图2是本发明的流程示意图；
[0025] 图3是本发明涂覆工艺的结构示意图。
[0026] 图3中附图标记所代表的含义如下：1.送膜；2.氧化石墨烯水溶液定量装置； 3.涂覆辊；4.刮刀；5.压辊；6.薄膜张力调平及烘干；7.光辊；8.橡胶辊；9.还原装置； 10.烘干装置；11.收卷。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0028] 实施例1
[0029] 如图3所示，将1000 ml质量浓度为0.lmg/ml氧化石墨稀水溶液倾倒到涂覆槽中， 涂覆机生产速度控制在3m/s，送料1为电容器用薄膜，通过2号和3号传送辊将氧化石墨烯 水溶液均匀涂覆在薄膜上，为确保涂层厚度可控且涂层均匀，通过调整4刮刀的角度和高 度来修正氧化石墨稀层厚度，控制涂覆层厚度在500A，压棍5调整适合压力3bar完成氧 化石墨烯同薄膜稳固附着，再通过张力调平装置6保持复合薄膜具有良好的展平效果以便 烘干固化，且带有烘干装置，温度控制在100°C，通过导辊传送到压力为2bar的剪辊7#和 8#实现保持展平状态，随后进入盛有浓度为40%的还原溶液（如：氢碘酸等）装置9进行 还原反应，在此还原过程中，氧化石墨烯薄膜与还原溶液（如：氢碘酸等）发生反应，被氢碘 酸还原为石墨烯，获得所需的石墨烯复合薄膜产品，为去除薄膜表面水分再经过10完成烘 干固化后11收卷，得到石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜。
[0030] 由于涂覆机是将石墨烯整幅涂覆在电容器用薄膜上，而实际生产应用过程中是根 据电容器的规格，因此上述石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜还需要经过激光切割的步骤。通 过激光切割，能将石墨烯/绝缘薄膜的复合薄膜上的石墨