一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜及其制备方法和应用

本发明涉及一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜及其制备方法和应用，属于储能电介质材料及其制备。

背景技术：

1、电介质电容器具有功率密度高、充放电速率快等特点，在高压柔直输电、新能源汽车等行业需求量巨大。但在电容器用电介质材料的储能特性和温度稳定性的研究中存在诸多瓶颈问题，尤其是在高压柔直输电换流阀、新能源汽车电动汽车逆变器等高温高场恶劣使役环境中。

2、聚醚酰亚胺(pei)具有良好的热稳定性，常被用做高温储能电介质，但是较低的介电常数限制了进一步的应用。现有的研究表明，以高介电常数陶瓷颗粒或导电颗粒填充聚合物制备无机/有机复合材料的方法，并不能有效提升介质薄膜高温储能性能。且目前基于有机亲电子体引入的研究，大部分并未考虑深陷阱会在长时使役条件下束缚电荷，继而导致的电荷积累和电场分布畸变。因此如何协同提升储能性能并有效避免电荷积聚是储能电介质行业所面临的挑战，亟需开发适合长时使役环境使用的高储能特性电介质材料。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有聚醚酰亚胺基储能复合介质高温储能特性差，介电损耗高等问题，提供一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜及其制备方法和应用，具体的将斥电子型填料4-二甲基氨基苯硼酸(4nnd)引入聚醚酰亚胺(pei)中构建载流子输运屏障。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜，该薄膜由聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸复合而成，其中4-二甲基氨基苯硼酸与聚醚酰亚胺的体积比为(0.002-0.012)：1。

4、进一步限定，该薄膜厚度为10～12μm。

5、本发明的目的之二是提供一种上述聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

6、(1)将聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸溶解在n-甲基吡咯烷酮中，并进行除泡处理，得到无气泡混合溶液；

7、(2)将无气泡混合溶液进行刮涂处理，得到复合湿膜；

8、(3)对复合湿膜进行梯度升温烘干处理，得到复合介质薄膜。

9、进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的总质量与n-甲基吡咯烷酮的体积比为0.16g：1ml。。

10、进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为(0.002-0.012)：1。

11、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.002:1。

12、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.004:1。

13、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.006:1。

14、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.008:1。

15、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.01:1。

16、更进一步限定，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.012:1。

17、进一步限定，(1)中除泡处理方式为真空处理，温度为30℃，时间为20min。

18、进一步限定，(3)中梯度升温烘干处理过程为：70℃保温4h，120℃保温2h，150℃保温2h，200℃保温2h，最后在真空200℃条件下保温4h。

19、进一步限定，(3)中复合湿膜经过烘干处理后，取出置于环境温度下自然冷却。

20、本发明的目的之二是提供一种上述聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的应用，具体的该薄膜用于制备电介质电容器使用。

21、进一步限定，电介质电容器用于高压柔直输电换流阀或新能源汽车电动汽车逆变器。

22、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

23、(1)本发明将有机斥电子小分子半导体4-二甲基氨基苯硼酸引入聚醚酰亚胺聚合物中，有机小分子半导体较高的最低未占有分子轨道(lumo)可于聚醚酰亚胺体内建立有机载流子屏障，小分子较大的禁带隙可进一步保证复合介质的绝缘特性，最终实现载流子传输阻碍，且可避免介质体内的载流子积聚。最终实施例结果表明，本发明制备的全有机储能复合介质在150℃、580kv/mm且充放电效率为90％时，放电能量密度达到5.21j/cm3。

24、(2)本发明将具有高斥电子基团的4-二甲基氨基苯硼酸引入聚醚酰亚胺聚合物中，引入的小分子半导体含有丰富的羟基基团，可为提升储能介质的介电性能提供贡献。

25、(3)本发明将基于全有机复合调控储能电介质的电学性能，引入斥电子型填料4-二甲基氨基苯硼酸能够建立高势垒，这种电荷势垒可阻碍电荷迁移和二次电离，并且建立的高势垒仅仅阻碍了电荷的迁移，而不会对电荷产生束缚，所以也避免了体内电荷的积累，解决了现有聚醚酰亚胺高温储能特性差，介电损耗高的问题。

26、(4)本发明工艺简单，规模化制备技术成熟，现有工业设备可满足生产技术需求。且能够保持聚合物基材料固有的柔韧性和电致伸缩性能等。还可有效解决无机填充劣化力学性能、更换聚合物基体成型技术不匹配等产业化的系列难题，将为规模化制备高温高场用储能全有机复合薄膜研发提供指导思路。

技术特征：

1.一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜，其特征在于，该薄膜由聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸复合而成，其中4-二甲基氨基苯硼酸与聚醚酰亚胺的体积比为(0.002-0.012)：1。

2.根据权利要求1所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜，其特征在于，该薄膜厚度为10～12μm。

3.一种权利要求1所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的总质量与n-甲基吡咯烷酮的体积比为0.16g：1ml。

5.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为(0.002-0.012)：1。

6.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(1)中聚醚酰亚胺和4-二甲基氨基苯硼酸的体积比为0.002:1、0.004:1、0.006:1、0.008:1、0.01:1或0.012:1。

7.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(1)中除泡处理方式为真空处理，温度为30℃，时间为20min。

8.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(3)中梯度升温烘干处理过程为：70℃保温4h，120℃保温2h，150℃保温2h，200℃保温2h，最后在真空200℃保温4h。

9.根据权利要求3所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的制备方法，其特征在于，(3)中复合湿膜经过烘干处理后，取出置于环境温度下自然冷却。

10.一种权利要求1所述的聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜的应用，其特征在于，该薄膜用于制备电介质电容器使用，所述的电介质电容器用于高压柔直输电换流阀或新能源汽车电动汽车逆变器。

技术总结
本发明公开了一种聚醚酰亚胺基储能复合介质薄膜及其制备方法和应用，属于储能电介质材料及其制备技术领域。本发明解决了现有聚醚酰亚胺基储能复合介质高温储能特性差，介电损耗高等问题。本发明将有机斥电子小分子半导体4‑NND引入聚醚酰亚胺聚合物中，有机小分子半导体较高的最低未占有分子轨道可于聚醚酰亚胺体内建立有机载流子屏障，小分子较大的带隙可进一步保证复合介质的绝缘特性，最终实现载流子传输阻碍，且可避免介质体内的载流子积聚。同时引入的4‑NND含有丰富的羟基基团，可提升储能介质的介电性能。结果表明，制备的复合介质在150℃、580kV/mm、充放电效率为90％时，放电能量密度达到5.21J/cm<supgt;3</supgt;。

技术研发人员：孟兆通,迟庆国,张天栋,张昌海
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12