一种用于新能源汽车的电容器及其制备方法与流程

本发明涉及电容器，尤其是涉及一种用于新能源汽车的电容器及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子信息技术的蓬勃发展，新能源汽车、移动电子设备等技术的更新迭代速度也越来越快，随之也需要发展更先进的电能存储技术来为上述电子设备提供动力来源。在目前的电能存储技术中，电容器因具有较高的功率密度、能够快速的实现充放电等优点，被人们广泛应用。

2、电容器包括两个相互靠近的导体和设置在两个导体之间的绝缘介质，并且为了进一步提高电容器的储能能力，人们通常会在两个导体相对的侧面上采用脉冲激光技术沉积电介质储能薄膜，目前常用的电介质储能薄膜是铁电薄膜，但是由于铁电薄膜内固有的氧空位以及低介电常数层内的高场强，会逐渐引起电子的注入，这样就会造成铁电薄膜的疲劳甚至失效，进而导致电容器的储能能力变差，不能满足日益增长的储能需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种用于新能源汽车的电容器及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供的一种用于新能源汽车的电容器，采用如下的技术方案：一种用于新能源汽车的电容器，包括第一电极、第二电极、位于二者之间的绝缘介质以及电介质储能薄膜，所述电介质储能薄膜包括沉积在第一电极上的第一电介质储能薄膜和沉积在第二电极上的第二电介质储能薄膜，并且所述电介质薄膜沉积在所述第一电极与所述第二电极相对的一侧表面，所述第一电介质储能薄膜采用氧化锆薄膜，所述第二电介质储能薄膜采用偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜。

3、通过采用上述技术方案，由于氧化锆薄膜中的氧化锆具有较高的介电常数，并且其禁带宽度大于5ev，因此当氧化锆薄膜沉积在电极表面时，可以在第一电极和氧化锆薄膜之间形成较高的肖特基势垒，而较高的肖特基势垒会减少漏电流的发生，进而提高了电容器的储能能力。

4、同时，偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯聚合物中的c-f键的高极化和铁电性，使得其具有极高的介电常数，高介电常数意味着高电容，即可容纳更多的电荷。因此，本技术还将高介电常数的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜沉积在第二电极上，来进一步提高电容器的储能能力。

5、其中，第一电极可为正极箔或者负极箔，第二电极也可为正极箔或者负极箔。

6、第二方面，本技术提供了一种用于新能源汽车的电容器的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)制备第一电极；

8、(2)在第一电极上沉积氧化锆薄膜：在电流为0.3-0.5a，溅射靶材为锆，氩气与氧气的流量比为(2-4)：1的条件下，采用磁控溅射技术在第一电极上沉积氧化锆薄膜；

9、(3)制备第二电极；

10、(4)在第二电极上沉积偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜：配置质量分数为7％-10％的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯溶液，然后在电场为1-4kv/mm，推速为0.7-1.0mm/min的条件下，采用高速静电纺丝技术将偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯溶液沉积到第二电极上；最后再对沉积在第二电极上的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯进行热压冷却，得到偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜。

11、通过采用上述技术方案，本技术采用磁控溅射技术在第一电极朝向第二电极的一侧沉积一层氧化锆薄膜，该技术中使用的磁控溅射镀膜机会发射出电子并且对其施加电流为0.3-0.5a的电场，再向其中通入氩气和氧气，氩原子和电子在电场的作用下会发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，并且氩离子在电场的作用下加速轰击位于磁控溅射镀膜机上的靶材锆，溅射出大量的锆原子，在溅射的过程中，锆原子和氧原子会结合生成氧化锆，氧化锆会在作为接收基材的第一电极上沉积，形成高介电性的氧化锆薄膜，提高了电容器的储能能力。

12、同时，本技术还采用高速静电纺丝技术在第二电极朝向第一电极的一侧沉积偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜，该技术中使用的高压发生器会对偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯溶液施加上千伏的电压，偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯溶液在高压静电场的作用下被喷射出，在喷射过程会被拉伸，最终会在第二电极上形成无纺状态的纳米纤维层，无纺状态的纳米纤维层经热压冷却，最终会在第二电极上沉积为偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜，进一步提高了电容器的储能能力。

13、并且，本技术的制备方法简单，制备工艺稳定可控，迎合了电子器件小型化、集成化的趋势，适合大规模生产。

14、优选的，所述偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯溶液中还包括氮化硼，所述氮化硼和所述偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯的重量比为1：(2-3)。

15、通过采用上述技术方案，本技术还将具有优异绝缘性能的氮化硼作为填料加入到薄膜中，来进一步提高偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜的介电性能。一方面，氮化硼是以aaa序列排列，即n或b原子总是与相邻面的n或b原子相邻，结构非常稳定，并且，b-n为共价键，而由于b和n的电负性不同，使得部分b-n键被离子化，具有离子键的特性，这些性质使得氮化硼具有良好的击穿强度和绝缘性能，因此将氮化硼与偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜结合制成复合膜，可以进一步增大偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜的介电性能，进而提高电容器的储能能力。

16、优选的，所述氮化硼在加入前进行预处理，包括以下步骤：将氮化硼与n，n-二甲基甲酰胺混合，搅拌均匀，得到质量分数为1-3％的氮化硼溶液；再对氮化硼溶液进行超声、离心、干燥和研磨处理，得到粒径为0.25-0.35mm的氮化硼颗粒。

17、通过采用上述技术方案，本技术采用n，n-二甲基甲酰胺作为辅助液相，经超声处理氮化硼粉末，获得单层氮化硼纳米片，氮化硼纳米片的厚度只有几个原子层厚，且纳米片的边缘悬浮着羟基，羟基能对氮化硼的表面实现功能修饰，使得氮化硼在与偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯复合时，表现出良好的界面相容性，使二者复合的效果更好，得到的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯/氮化硼薄膜能更好的发挥作用，进而提高电容器的储能能力。

18、优选的，在所述步骤(4)中，热压冷却的具体操作为：在热压温度为80-130℃，压力为13-18mpa，热压时间为12-18min的条件下，对沉积到第二电极上的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜进行热压处理，然后再将热压处理后的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜冷却至0-20℃。

19、通过采用上述技术方案，对沉积到第二电极上的偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯进行热压和冷却处理，可将偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜更好的贴合到第二电极上，增强偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜在第二电极上的稳定性，使得偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜更好的发挥作用。

20、优选的，所述步骤(2)中，在向第一电极沉积氧化锆薄膜之前，先分别使用丙酮、无水乙醇和水作为清洗剂，对制得的第一电极超声清洗10-15min。

21、通过采用上述技术方案，先用丙酮和无水乙醇对第一电极进行清洗，丙酮和无水乙醇作为有机清洗剂，既具有脂溶性，又具有水溶性，所以既可以清洗第一电极表面的油污或者其他有机物，又可以将水溶性的杂质除去，然后再用水对第一电极进行清洗，将残留在第一电极上的丙酮和无水乙醇冲洗干净，保证了第一电极表面的清洁度，使得氧化锆在第一电极上的沉积效果更好。

22、优选的，所述氧化锆薄膜的沉积厚度为450-550nm。

23、通过采用上述技术方案，etel表示陷阱填充的极限电场，nt表示捕获的电子密度，etel与nt成正相关的关系。当e>etel时，氧化锆薄膜的所有捕获状态被占据，因此更大的etel有助于抑制漏电流、实现高的击穿场强，经试验得出，450-550nm的薄膜具有较大的etel，并且由于在氧化锆薄膜的生长过程中存在氧空位，因此较厚的薄膜对降低漏电流、提升击穿是非常有利的；然而当厚度大于550nm时，由于尺寸效应，使得更多的缺陷出现在氧化锆薄膜中，使得漏电流速率增加，etel降低。因此，调节磁控溅射镀膜机的参数，将氧化锆薄膜的厚度控制在450-550nm时，氧化锆薄膜的介电性能较好，使得电容器具有较强的储能能力。

24、优选的，在所述步骤(2)中，先将作为溅射靶材的锆浸泡在腐蚀抑制剂中15-20min，所述腐蚀抑制剂包括重量比为(2-3)：1的亚硝酸钠和氢氧化钠。

25、通过采用上述技术方案，在氢氧化钠提供的碱性条件下，亚硝酸钠与氧化锆薄膜中的锆原子会生成一层不溶且致密的氧化物薄膜，提高了氧化锆薄膜的稳定性，进而保证了氧化锆薄膜的高介电性。

26、优选的，在所述步骤(2)中，向沉积在第一电极上的氧化锆薄膜中注入氦离子，所述氦离子的剂量范围在5×1014-5×1015ions/cm2，氦离子的注入能量为11-22kev。

27、通过采用上述技术方案，本技术还向沉积在第一电极上的氧化锆薄膜中注入氦离子，氦离子进入到氧化锆晶体内部会使得氧化锆晶体发生晶格畸变，破坏氧化锆晶体中偶极子的长程有序性，并且在第一电极和第二电极的电场作用下，氧化锆晶体中偶极子的取向在短程内一致，从而具备了铁电特性，极大地提高了氧化锆薄膜本身的饱和极化值和击穿电场，增强了电容器的储能能力。

28、同时，向氧化锆薄膜中注入的氦离子的剂量范围控制在5×1014-5×1015ions/cm2之间，剂量太低则氧化锆晶体产生的畸变不足以打破偶极子的长效有序性，剂量太高则会破坏氧化锆晶体的完整性，造成非晶化，因此注入剂量适中的氦离子，会使得电容器的储能效果进一步增强。

29、进一步的，氦离子的注入能量控制在11-22kev，注入能量太低，则氦离子可能无法进入到晶格内部，停留在氧化锆晶粒表面，分布不均匀，若注入能量太高，则氦离子会穿透氧化锆进入到第一电极下层的基片，无法停留在氧化锆内部，因此，将注入适中能量的氦离子，会进一步提高电容器的储能能力。

30、优选的，所述氦离子的入射方向与氧化锆晶体的主晶轴方向形成偏转角。

31、通过采用上述技术方案，向氧化锆晶体注入氦离子时，控制氦离子与氧化锆晶体的主晶轴方向形成偏转角，并且将偏转角度设置为7-10°，以增加氦离子与内部晶格原子碰撞的概率，并且碰撞后氦离子的运动方向更随机，使得氦离子在晶格内部的分布更加均匀，更好的发挥氦离子在氧化锆薄膜内的作用，进而电容器的储能效果更好。

32、综上所述，本发明具有以下有益效果：

33、1、本技术选择将氧化锆薄膜和偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯薄膜沉积在第一电极和第二电极上，与普通的铁电薄膜相比，本技术选择的这两种薄膜具有更好的介电性能，进而使得本技术制备的电容器具有更强的储能能力。

34、2、本技术的电容器的制备方法简单，制备工艺稳定可控，迎合了电子器件小型化、集成化的趋势，适合大规模生产。