一种聚合物基电介质及其制备方法和应用

本发明属于薄膜电容器领域，具体涉及一种聚合物基电介质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电容器由电介质隔开的两个导体组成，是电子设备中常用的储能元件。根据电介质材料的不同，介质电容器可分为有机聚合物介质电容器、无机介质电容器、电解电容器等。其中，聚合物介质电容器(即薄膜电容器)具有生产成本低、重量轻、易加工、可靠性高、耐压强度高等优点而在航空航天、新能源等领域获得了广泛的应用。然而，航空航天、新能源发电、新能源汽车所面临的高温环境(120℃-200℃)更加严酷，因此对薄膜电容器的耐高温性能提出了更高的要求。

2、薄膜电容器的耐高温性能优异指的是薄膜电容器在高温环境下保持优异的电性能。目前薄膜电容器的最高使用温度普遍不高，例如双向拉伸聚丙烯(bopp)电容器的最高使用温度低于105℃。随着电容器应用环境温度逐渐升高到接近电容器的最高使用温度时，在电场作用下，聚合物电介质材料内部泄漏电流随温度呈指数上升趋势，电导损耗急剧升高。同时，由于聚合物电介质的导热性能普遍较差，泄漏电流产生的焦耳热难以传导至外部，导致聚合物电介质内部产热增加，温度持续升高可能超过最高使用温度，易发生热失稳现象，进而导致薄膜电容器的充放电效率、储能密度、击穿场强等电性能急剧下降，无法满足应用需求。

3、现阶段，多采用具有高玻璃化转变温度(即高热稳定性)的聚合物电介质材料作为电介质以改善薄膜电容器的耐高温性能，例如聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚苯硫醚(pps)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)等聚合物电介质材料。但是上述聚合物电介质材料对薄膜电容器耐高温性能的改善程度远远无法达到需求。

4、因此，如何提供一种能够显著改善薄膜电容器耐高温性能的聚合物电介质材料，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种聚合物基电介质，将该聚合物基电介质应用于电容器中，能够有效改善电容器的耐高温性能，确保该电容器在高温环境下保持优异的电性能。

2、本发明还提供一种聚合物基电介质的制备方法，能够制得上述聚合物基电介质，具有工艺简便、易操作等优势。

3、本发明还提供一种电容器，由于采用上述聚合物基电介质，该电容器在高温环境下保持优异的电性能。

4、本发明的第一方面，提供一种聚合物基电介质，包括空穴阻挡层、电子阻挡层以及位于空穴阻挡层、电子阻挡层之间的聚合物层；

5、其中，所述电子阻挡层的最低未占据分子轨道能级高于所述聚合物层的所述最低未占据分子轨道能级；

6、所述空穴阻挡层的最高占据分子轨道能级低于所述聚合物层的最高占据分子轨道能级。

7、如上所述的聚合物基电介质，所述电子阻挡层的最高占据分子轨道能级低于所述聚合物层的最高占据分子轨道能级。

8、如上所述的聚合物基电介质，所述空穴阻挡层的最低未占据分子轨道能级高于所述聚合物层的所述最低未占据分子轨道能级。

9、如上所述的聚合物基电介质，所述电子阻挡层选自氧化镁、氮化硼中的至少一种。

10、如上所述的聚合物基电介质，所述空穴阻挡层选自氧化铝、氧化铪、氧化硅中的至少一种。

11、如上所述的聚合物基电介质，所述电子阻挡层的厚度为100～150nm；和/或，

12、所述空穴阻挡层的厚度为100～150nm。

13、本发明的第二方面，提供一种上述的聚合物基电介质的制备方法，包括以下步骤：将形成空穴阻挡层的材料沉积在聚合物膜的第一表面，将形成电子阻挡层的材料沉积在聚合物膜的第二表面，得到聚合物基电介质，其中第一表面与第二表面相对。

14、如上所述的制备方法，包括以下步骤：对形成空穴阻挡层的材料进行预融，得到第一待沉积物料；

15、利用电子束轰击第一待沉积物料，在聚合物膜的第一表面沉积形成空穴阻挡层；

16、对形成电子阻挡层的材料进行预融，得到第二待沉积物料；

17、利用电子束轰击第二待沉积物料，在聚合物膜的第二表面沉积形成电子阻挡层，得到聚合物基电介质。

18、本发明的第三方面，提供一种电容器，包括阴极、阳极以及位于阴极和阳极之间的电介质，所述电介质为上述的聚合物基电介质。

19、如上所述的电容器，电子阻挡层位于阳极与聚合物层之间，空穴阻挡层位于阴极与聚合物层之间。

20、本发明的实施，至少具有以下有益效果：

21、本发明提供的聚合物基电介质，在聚合物层的两个表面分别设置电子阻挡层和空穴阻挡层。将该聚合物基电介质应用于电容器中，能够有效抑制高温条件下泄漏电流的产生，降低电导损耗，从根本上解决由于泄漏电流的产生而导致的电介质内部温度升高的问题，从而使得电容器在充放电效率、储能密度、击穿场强等电性能方面表现优异。

22、本发明提供的聚合物基电介质的制备方法，能够制得上述聚合物基电介质，具有工艺简便、易操作等优势。

23、本发明提供的电容器，由于使用上述聚合物基电介质，使得该电容器在高温条件下保持优异的电性能。

技术特征：

1.一种聚合物基电介质，其特征在于，包括空穴阻挡层、电子阻挡层以及位于空穴阻挡层、电子阻挡层之间的聚合物层；

2.根据权利要求1所述的聚合物基电介质，其特征在于，所述电子阻挡层的最高占据分子轨道能级低于所述聚合物层的最高占据分子轨道能级。

3.根据权利要求1或2所述的聚合物基电介质，其特征在于，所述空穴阻挡层的最低未占据分子轨道能级高于所述聚合物层的所述最低未占据分子轨道能级。

4.根据权利要求1所述的聚合物基电介质，其特征在于，所述电子阻挡层选自氧化镁、氮化硼中的至少一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的聚合物基电介质，其特征在于，所述空穴阻挡层选自氧化铝、氧化铪、氧化硅中的至少一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的聚合物基电介质，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为100～150nm；和/或，

7.一种权利要求1-6任一项所述的聚合物基电介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将形成空穴阻挡层的材料沉积在聚合物膜的第一表面，将形成电子阻挡层的材料沉积在聚合物膜的第二表面，得到聚合物基电介质，其中第一表面与第二表面相对。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对形成空穴阻挡层的材料进行预融，得到第一待沉积物料；

9.一种电容器，其特征在于，包括阴极、阳极以及位于阴极和阳极之间的电介质，所述电介质为权利要求1-6任一项所述的聚合物基电介质。

10.根据权利要求9所述的电容器，其特征在于，电子阻挡层位于阳极与聚合物层之间，空穴阻挡层位于阴极与聚合物层之间。

技术总结
本发明提供一种聚合物基电介质及其制备方法和应用，聚合物基电介质包括空穴阻挡层、电子阻挡层以及位于空穴阻挡层、电子阻挡层之间的聚合物层；其中，所述电子阻挡层的最低未占据分子轨道能级高于所述聚合物层的所述最低未占据分子轨道能级；所述空穴阻挡层的最高占据分子轨道能级低于所述聚合物层的最高占据分子轨道能级，能够显著改善薄膜电容器耐高温性能。

技术研发人员：李琦,何金良,杨明聪,付靖,王瑞
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12