CN108962596A - 基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面沉积具有高绝缘性能的薄层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到提高其工作温度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物薄膜电容器领域，尤其涉及一种基于大气压低温等离子体沉积技术的高温电容器薄膜的快速大规模制备方法。
背景技术
电介质电容器具有极快的充放电速率(微秒级)和超高的功率密度(兆瓦每千克)，是一类极其重要的功率型储能器件，在电网调频、工业节能、关键医学设备、工业激光器、新能源汽车以及先进电磁武器等大功率储能和脉冲功率系统中发挥着关键作用。电介质电容器按照使用的介质材料主要可分为聚合物介质电容器、无机介质电容器、电解电容器等三类。其中以聚合物为介质材料的电容器——聚合物薄膜电容器，凭借其质量轻、加工性能好、生产成本低、介电强度高、自愈性好、集成组装工艺简单以及无液体介质等特点，目前已在电动汽车、风电、光伏、照明和铁路机车等行业中广泛应用。随着智能电网和新能源等产业的迅猛发展，薄膜电容器的需求还在逐年递增。
目前薄膜电容器在许多应用领域中的工作环境温度都高于室温，电场强度也较高。绝大多数聚合物电介质材料的最高使用温度在125℃以下，当温度逐渐升高到接近最高使用温度时，聚合物电介质材料的介电损耗急剧升高。尤其在高电场作用下，温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流(电导率)呈现指数级上升的趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。
在高温、强电场条件下，目前现有高温聚合物电介质材料不能满足应用需求，主要存在两方面问题：一是聚合物电介质材料在高温条件下的电导损耗随电场强度增大而急剧上升，导致储能密度大幅下降。二是高温、强电场条件下聚合物电介质产生的大量电导损耗还会造成介质材料甚至无法在远低于其设计温度的环境下连续稳定工作，这是由薄膜电容器的热失稳现象所致。有效抑制高温高电场条件下的电容器薄膜的泄漏电流已经成为高性能电容器薄膜设计和制备的难题。
目前聚合物电容器薄膜领域为提高电容器薄膜的工作温度主要有两种技术手段。一是提高聚合物电容器薄膜材料的玻璃化转变温度，从而提高其工作温度。但是该技术方法只是通过电容器薄膜热性能的提高来改善其工作温度，并没有从根本上解决由于高温高电场作用下泄漏电流明显升高的问题。而由于泄漏电流的升高必然导致电容器内部的严重发热，从而造成电容器的热失稳现象。二是在聚合物电容器介质材料中引入具有高绝缘性能的二维纳米材料，如纳米氮化硼片，利用纳米颗粒的高绝缘性能来抑制复合材料在高温高电场作用下的泄漏电流。但是该技术方法的问题在于这种超薄的二维纳米材料必须通过溶液共混的方式均匀分散于聚合物基体中，而绝大部分高温聚合物电介质材料属于难溶甚至不溶的材料。同时超薄二维纳米材料与大部分高温聚合物电介质基体之间相容性较差，容易发生团聚，这种超薄二维纳米片还存在制备困难、成本造价高的问题，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，通过一种简单的薄膜表面处理方法，提高聚合物电容器薄膜的工作温度和在高温高电场条件下的充放电效率。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面沉积具有高绝缘性能的薄层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到提高其工作温度的目的。
进一步改进在于：在所述大气压低温等离子沉积技术中大气压低温等离子体的产生方式为介质阻挡放电方式，通过载气将高绝缘性能薄层前驱体吹入等离子体区，经高压电源激励，在介质阻挡板之间产生均匀稳定的大气压低温等离子体，在等离子体作用下，前驱体发生物理、化学变化从而在电容器薄膜表面沉积一层高绝缘性能薄层。
进一步改进在于：在所述大气压低温等离子沉积技术中有两路气体，分别为工作气体和载气，所述工作气体和载气为惰性气体、空气或其混合物。
进一步改进在于：所述惰性气体包括有氦气、氩气、氖气、氮气。
进一步改进在于：所述高绝缘性能薄层为具有宽能带隙的材料，如二氧化硅、氮化硅，并对应于所选择的高绝缘性能薄层选择相应的前驱体，如二氧化硅的前驱体选择为正硅酸乙酯、六甲基二氧硅烷、八甲基环四硅氧烷，氮化硅前驱体选择为氨气和甲硅烷。
进一步改进在于：所述高绝缘性能薄层的厚度在100-300nm。
进一步改进在于：所述大气压低温等离子沉积技术中的高压电源为微秒脉冲电源或纳秒脉冲电源或高频高压交流电源，电源参数调节标准为能够产生稳定持续的介质阻挡放电。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用大气压低温等离子体沉积技术，在现有聚合物电容器薄膜表面沉积高绝缘性能薄层。通过在聚合物电容器薄膜表面沉积致密、均匀的高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，，提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，从而达到提高其工作温度的目的。
2、本发明中采用的大气压低温等离子体沉积技术在大气压条件下即可进行，因此能够利于大规模生产制备。同时其低温特点也使其能够针对各种聚合物电容器薄膜进行处理，特别是能够适应于热敏感材料的表面沉积。该大气压低温等离子体沉积技术对电容器薄膜的性能并无特殊要求，可适应于各种聚合物电容器薄膜，甚至可适应于无机电容器薄膜。该大气压低温等离子体沉积技术在实现高绝缘性能薄层沉积的同时，并不影响电容器薄膜原有的性能。
3、相对于目前电容器薄膜技术领域常用技术，本发明提出的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法具有条件简单、成本低、耗时短、效率高、能耗低、无污染、沉积速度快、普适性强的特点，非常适合于大规模生产应用。
附图说明
图1是本发明中介质阻挡放电产生大气压低温等离子体沉积的示意图。
图2是经本发明所述的制备方法制备的高温电容器薄膜结构示意图。
其中：1-工作气体，2-载气，3-气体流量计，4-鼓泡瓶，5-等离子体区域，6-上电极，7-下电极，8-高压电源，9-上阻挡介质板，10-下阻挡介质板，11-聚合物电容器薄膜。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本实施列提供了一种基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面沉积具有高绝缘性能的薄层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙(低电子亲和能、高电离能)的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到提高其工作温度的目的。
在所述大气压低温等离子沉积技术中大气压低温等离子体的产生方式为介质阻挡放电方式，通过载气将高绝缘性能薄层前驱体吹入等离子体区，经高压电源激励，在介质阻挡板之间产生均匀稳定的大气压低温等离子体，在等离子体作用下，前驱体发生物理、化学变化从而在电容器薄膜表面沉积一层高绝缘性能薄层。
如图1所示，本实施列的一种介质阻挡放电产生大气压低温等离子体沉积的方案包括两路惰性气体，其中一路为工作气体1，一路为载气2，通过气体流量计3控制合适的气体流速。载气先通入到装有待沉积高绝缘性能薄层前驱体的鼓泡瓶4中，将前驱体带出后再与工作气体充分混合并通入介质阻挡放电的等离子体区域5。介质阻挡放电的等离子体区域包括两个放电电极，分别为上电极6和下电极7，其中上电极接高压电源8，下电极接地。上下放电电极之间为两个阻挡介质板，分别为上阻挡介质板9和下阻挡介质板10，其中上阻挡介质板紧密贴合在上电极的下表面，下阻挡介质板紧密贴合在下电极的上表面。两个阻挡介质板之间为放电区域，等离子体产生于两个阻挡介质板之间的放电区域。待处理电容器薄膜11置于两个介质阻挡板之间的放电区域。其中放电电极材料可选择为铝、铜、不锈钢等导电材料，电极的尺寸、厚度、两电极之间的间隙等参数可根据需要调节。高压电源可为微秒脉冲电源、纳秒脉冲电源、高频高压交流电源等，电源参数调节标准为能够产生稳定持续的介质阻挡放电。阻挡介质板可选择为玻璃、聚四氟乙烯、聚合物玻璃等材料，阻挡介质板的尺寸、厚度等参数可根据需要调节。该实施例中前驱体选择为正硅酸乙酯，可通过该介质阻挡放电大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面沉积二氧化硅高绝缘性能薄层。
本发明利用大气压低温等离子体沉积技术，在现有聚合物电容器薄膜表面沉积高绝缘性能薄层。通过在聚合物电容器薄膜表面沉积致密、均匀的高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，从而达到提高其工作温度的目的。
本发明中采用的大气压低温等离子体沉积技术在大气压条件下即可进行，因此能够利于大规模生产制备。同时其低温特点也使其能够针对各种聚合物电容器薄膜进行处理，特别是能够适应于热敏感材料的表面沉积。该大气压低温等离子体沉积技术对电容器薄膜的性能并无特殊要求，可适应于各种聚合物电容器薄膜，甚至可适应于无机电容器薄膜。该大气压低温等离子体沉积技术在实现高绝缘性能薄层沉积的同时，并不影响电容器薄膜原有的性能。
相对于目前电容器薄膜技术领域常用技术，本发明提出的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法具有条件简单、成本低、耗时短、效率高、能耗低、无污染、沉积速度快、普适性强的特点，非常适合于大规模生产应用。
Claims (7)
1.一种基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：通过大气压低温等离子沉积技术在聚合物电容器薄膜表面沉积具有高绝缘性能的薄层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高绝缘性能薄层，利用高绝缘性能薄层具有宽能带隙的特点，将其作为电荷阻挡层，从而有效抑制高温高电场作用下由于电极处的电荷注入而形成的泄漏电流，进而提高聚合物电容器薄膜在高温高电场作用下的充放电效率，达到提高其工作温度的目的。
2.根据权利要求1所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：在所述大气压低温等离子沉积技术中大气压低温等离子体的产生方式为介质阻挡放电方式，通过载气将高绝缘性能薄层前驱体吹入等离子体区，经高压电源激励，在介质阻挡板之间产生均匀稳定的大气压低温等离子体，在等离子体作用下，前驱体发生物理、化学变化从而在电容器薄膜表面沉积一层高绝缘性能薄层。
3.根据权利要求2所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：在所述大气压低温等离子沉积技术中有两路气体，分别为工作气体和载气，所述工作气体和载气为惰性气体、空气或其混合物。
4.根据权利要求3所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述惰性气体包括有氦气、氩气、氖气、氮气。
5.根据权利要求1所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述高绝缘性能薄层为具有宽能带隙的材料，如二氧化硅、氮化硅，并对应于所选择的高绝缘性能薄层选择相应的前驱体，如二氧化硅的前驱体选择为正硅酸乙酯、六甲基二氧硅烷、八甲基环四硅氧烷，氮化硅前驱体选择为氨气和甲硅烷。
6.根据权利要求5所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述高绝缘性能薄层厚度在100-300nm。
7.根据权利要求1所述的基于大气压低温等离子体沉积的高温电容器薄膜制备方法，其特征在于：所述大气压低温等离子沉积技术中的高压电源为微秒脉冲电源或纳秒脉冲电源或高频高压交流电源，电源参数调节标准为能够产生稳定持续的介质阻挡放电。
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