高温静电储能用聚合物薄膜及其应用

本发明属于储能，具体涉及一种高温静电储能用聚合物薄膜及其应用。

背景技术：

1、作为基础电子元件、大功率储能和脉冲功率等先进电子电力系统的关键元器件，静电电容器具有μs量级的极快充放电能力和mw/kg量级的超高功率密度。其中，金属化薄膜电容器具有体积小、易加工、低成本、高介电强度、可靠性高、可自愈等诸多优势在新能源电动汽车、风电、光伏、照明和铁路机车等行业中广泛应用。

2、近年来，油气勘探、新能源电动汽车等极端环境领域对高温(≥150℃)用高储能密度金属化薄膜静电电容器具有重大迫切需求。宽带隙是电介质薄膜高电击穿的重要指标，高自愈是金属化薄膜及器件高可靠性的重要指标。高温场景用的聚合物常见的耐高温电介质材料主要包括聚酰亚胺(pi)、聚酰胺酰亚胺(pai)、聚醚酰亚胺(pei)、聚苯并咪唑(pbi)、聚醚醚酮(peek)等几类。然而这些电介质基本上都是共轭类聚合物，薄膜带隙窄、自愈性差，不能满足高温高电场强度下的高可靠性需求。例如传统的高温电介质kapton pi具有共轭的本征结构且分子链内和链间具有强的电荷转移相互作用，因而其带隙很窄，带隙能eg小于3ev，仅约2.5ev。当前研究的候选材料聚醚酰亚胺pei因分子本征的非平面结构削弱了电荷转移相互作用，降低了体系的共轭从而具有较宽的带隙eg，约为3.32ev，但是相比低温用(一般小于70℃)的双向拉伸聚丙烯(bopp，约6ev)依然相差甚远。

3、自愈性是评估金属化薄膜电容器性能可靠性的一项重要指标，是除开传统储能性能外，电介质材料商业化的重要考察性能，而这在仅在室温双向拉伸聚丙烯薄膜及电容器研究方面较多，高温领域研究缺乏。金属化膜是在有机薄膜表面蒸镀一层极薄的金属层。随着外施电压升高，电介质薄膜的电弱点(小缺陷或杂质等)被击穿形成放电通道，流过击穿点的电流密度高，焦耳热效应导致薄膜局部温度升高，高温导致击穿点周围金属层受热蒸发并向外扩散，金属蒸汽易被电离形成等离子体，随着金属蒸发面积扩大，等离子体放电电弧熄灭。该过程是金属化膜特有的“自愈”特性(self-healing)或“自清洁”(self-clearing)。若电极通过碳化通道连接，则自愈失败；若电极和碳化层隔开则自愈成功。因此现有的高温聚合物电介质材料面临大的自愈问题。

4、综上分析，兼具高玻璃化转变温度、宽带隙及强自愈的高温(≥150℃)聚合物电介质的开发迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种高温静电储能用聚合物薄膜及其应用。该聚合物薄膜具有高的玻璃化转变温度、宽的带隙、强的自愈性和高的击穿场强，从而具有优异的高温储能性能。

2、在本发明的一个方面，本发明提出了一种高温静电储能用聚合物薄膜。根据本发明的实施例，该聚合物薄膜包括半脂环的聚酰亚胺和/或全脂环的聚酰亚胺。

3、根据本发明上述实施例的高温静电储能用聚合物薄膜，包括半脂环的聚酰亚胺和/或全脂环的聚酰亚胺，发明人发现，芳香结构聚酰亚胺通常具有较好的耐热性能，同时由于芳香结构中存在较多的共轭电子，因而电子云存在共轭结构，导致电子给体和受体间易形成电荷转移络合物，即因为二胺和二酐之间的电荷转移络合作用，在高温高电场强度下极大地促进电荷间的传输，从而使电介质薄膜的击穿性能大幅恶化，因此，本申请通过在分子结构中引入脂环类结构(脂环单元)可以打破上述的共轭，削弱或消除聚酰亚胺分子内和聚酰亚胺分子间的电荷转移作用，从而抑制了电荷的传输，扩宽了体系的带隙，进而提升了电介质薄膜的击穿场强，同时，半脂环的聚酰亚胺和全脂环的聚酰亚胺具有较强的自愈性，且具有脂环类结构的聚酰亚胺具有更高的热稳定性，半脂环的聚酰亚胺和全脂环的聚酰亚胺具有高的玻璃化转变温度，从而进一步提高了聚合物薄膜的击穿场强，具体地，在200℃下，该聚合物薄膜的击穿场强为550-700mv/m，在250℃下，该聚合物薄膜的击穿场强为400-550mv/m。由此，该聚合物薄膜具有高的玻璃化转变温度、宽的带隙、强的自愈性和高的击穿场强，从而具有优异的高温储能性能。

4、另外，根据本发明上述实施例的高温静电储能用聚合物薄膜还可以具有如下技术特征：

5、在本发明的一些实施例中，所述半脂环的聚酰亚胺的结构通式为其中，al包括

6、ar包括

7、由此，聚合物薄膜具有高的玻璃化转变温度、宽的带隙、强的自愈性和高的击穿场强。

8、在本发明的一些实施例中，所述全脂环的聚酰亚胺的结构通式为：其中，al1包括

9、al2包括

10、由此，聚合物薄膜具有高的玻璃化转变温度、宽的带隙、强的自愈性和高的击穿场强。

11、在本发明的一些实施例中，所述半脂环的聚酰亚胺的玻璃化转变温度为250℃-350℃。由此，可以提高聚合物薄膜的击穿场强。

12、在本发明的一些实施例中，所述全脂环的聚酰亚胺的玻璃化转变温度为150℃-300℃。由此，可以提高聚合物薄膜的击穿场强。

13、在本发明的一些实施例中，所述半脂环的聚酰亚胺的c/(o+h)的比值不大于1.1。由此，可以提高聚合物薄膜的自愈性。

14、在本发明的一些实施例中，所述全脂环的聚酰亚胺的c/(o+h)的比值不大于0.7。由此，可以提高聚合物薄膜的自愈性。

15、在本发明的一些实施例中，所述半脂环的聚酰亚胺的带隙能不小于3.5ev，优选4ev-4.5ev。由此，可以提高聚合物薄膜的击穿场强。

16、在本发明的一些实施例中，所述全脂环的聚酰亚胺的带隙能不小于4.5ev，优选4.5ev-6ev。由此，可以提高聚合物薄膜的击穿场强。

17、本发明的另一个方面，本发明提出了一种电容器。根据本发明的实施例，该电容器包括上述聚合物薄膜。由此，该电容器具有优异的高温储能电性能。

18、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种高温静电储能用聚合物薄膜，其特征在于，包括半脂环的聚酰亚胺和/或全脂环的聚酰亚胺。

2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述半脂环的聚酰亚胺的结构通式为其中，al包括ar包括

3.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述全脂环的聚酰亚胺的结构通式为：其中，al1包括al2包括

4.根据权利要求1或2所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述半脂环的聚酰亚胺的玻璃化转变温度为250℃-350℃。

5.根据权利要求1或3所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述全脂环的聚酰亚胺的玻璃化转变温度为150℃-300℃。

6.根据权利要求1或2所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述半脂环的聚酰亚胺的c/(o+h)的比值不大于1.1。

7.根据权利要求1或3所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述全脂环的聚酰亚胺的c/(o+h)的比值不大于0.7。

8.根据权利要求1或2所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述半脂环的聚酰亚胺的带隙能不小于3.5ev，优选4ev-4.5ev。

9.根据权利要求1或3所述的聚合物薄膜，其特征在于，所述全脂环的聚酰亚胺的带隙能不小于4.5ev，优选4.5ev-6ev。

10.一种电容器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述聚合物薄膜。

技术总结
本发明公开了一种高温静电储能用聚合物薄膜及其应用。高温静电储能用聚合物薄膜包括半脂环的聚酰亚胺和/或全脂环的聚酰亚胺。该聚合物薄膜具有高的玻璃化转变温度、宽的带隙、强的自愈性和高的击穿场强，从而具有优异的高温储能性能。

技术研发人员：沈洋,任伟斌,杨敏铮,南策文
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14