CN108962598A - 大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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介电常数层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度，同时避免存在的材料成本昂贵、制备方法复杂、制造设备昂贵、工艺流程中存在环境污染、不利于大规模生产应用等问题。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物薄膜电容器领域，尤其涉及一种高能量密度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。
尽管薄膜电容器的功率密度极高(兆瓦每千克级)，但是其能量密度相对于其他储能技术，如电化学储能期间低1-2个数量级。电介质材料的能量密度低已经成为目前制约薄膜电容器发展的关键瓶颈。在动力系统中，如果电容器能量不足则需提高其充放电频率，这会导致电容器泄漏电流增加，从而导致发热量增加，与此同时能量密度不足必然导致设备体积庞大，难以解决其散热问题。这些因素将使电容器内部温度不断升高，最终导致热失稳。
目前，聚合物电容器薄膜领域为提高电容器薄膜的能量密度主要技术手段是在聚合物电容器薄膜中引入具有高介电常数的无机纳米颗粒，通过提高复合材料的介电常数来提高其能量密度。但是该技术方法存在以下问题：为获得较高的介电常数，往往需要较高的无机纳米颗粒填充量，大容量无机纳米颗粒的填充很容易引起团聚，使复合材料内部产生缺陷。高介电常数的纳米颗粒和低介电常数的聚合物电容器薄膜之间巨大的介电常数差异会导致复合材料内部电场畸变，复合材料内部实际最高电场强度远高于外加电场。高介电常数无机纳米颗粒的电导率较高，使得复合材料泄漏电流高于纯聚合物。上述因素使得复合材料介电强度下降、能量损耗增加、充放电效率降低。同时纳米复合材料的加工过程往往比较复杂，需要用到一些专用加工设备，在加工过程中还会使用到一些会有环境污染的化学试剂，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，本发明提供了一种大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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能量密度。
为了解决上述问题，本发明提供了一种大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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介电常数层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。
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，通过载气将高介电常数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介电常数层。
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、氖气和氮气。
进一步改进在于：所述高介电常数层为具有高介电常数的材料，如五氧化二钽、二氧化铪、二氧化锆，对应于所选择的高介电常数层选择相应的前驱体，如五氧化二钽的前驱体选择为乙醇钽等，二氧化铪的前驱体选择为乙醇铪等，二氧化锆的前驱体选择为乙醇锆等。
进一步改进在于：所述无机高介电常数层厚度在100nm-3μm。
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介电常数层。通过在聚合物电容器薄膜表面沉积致密、均匀的高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。同时由于中间纯聚合物薄膜层的存在，可有效抑制薄膜整体的泄漏电流，保证了薄膜整体的充放电效率不下降。
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，甚至也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介电常数层沉积的同时，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，本发明提出的大气压低温等离子体沉积的高能量密度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能量密度电容器薄膜的结构示意图。
其中：1-工作气体，2-载气，3-气体流量计，4-鼓泡瓶，5-介质阻挡放电的等离子体区域，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-待处理电容器薄膜。
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。
本实施例提供了一种大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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介电常数层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。
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，通过载气将高介电常数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介电常数层。
如图1所示，本实施例提供了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(氦气或氩气或氖气或氮气)，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介电常数层前驱体的鼓泡瓶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、厚度以及两电极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、有机玻璃等材料，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乙醇钽，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五氧化二钽高介电常数层。
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介电常数层。通过在聚合物电容器薄膜表面沉积致密、均匀的高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。同时由于中间纯聚合物电容器薄膜层的存在，可有效抑制薄膜整体的泄漏电流，保证了薄膜整体的充放电效率不下降。
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介电常数层沉积的同时，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，本发明提出的大气压低温等离子体沉积的高能量密度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)
1.一种大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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介电常数层，在金属电极和聚合物电容器薄膜之间引入高介电常数层，利用高介电常数层具有高介电常数的特点，以提高薄膜的等效介电常数，从而提高其能量密度。
2.根据权利要求1所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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，通过载气将高介电常数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介电常数层。
3.根据权利要求2所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，其特征在于：所述高介电常数层为具有高介电常数的材料，如五氧化二钽、二氧化铪、二氧化锆，对应于所选择的高介电常数层选择相应的前驱体，如五氧化二钽的前驱体选择为乙醇钽等，二氧化铪的前驱体选择为乙醇铪等，二氧化锆的前驱体选择为乙醇锆等。
6.根据权利要求1所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，其特征在于：所述无机高介电常数层厚度在100nm-3μm。
7.根据权利要求1所述的大气压低温等离子体沉积制备高能量密度电容器薄膜方法，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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- 2018-07-18 CN CN201810788796.XA patent/CN108962598A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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