柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器技术

本发明专利技术涉及一种柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器。所述制备方法包括：提供一柔性金属衬底；以钛金属作为靶材，采用磁过滤多弧离子镀方法在所述柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛预制层，其中所述磁过滤多弧离子镀方法中的工作气氛为氩气和氧气的混合气体；对沉积有二氧化钛预制层的柔性金属衬底进行热处理，得到柔性储能薄膜。所述柔性储能薄膜包括柔性金属衬底以及形成于所述柔性金属衬底上的二氧化钛层。通过该制备方法不仅实现了储能薄膜的柔性化，同时还使储能薄膜具有高可靠性和高储能密度，可以用作薄膜电容器的电介质材料。

Flexible energy storage film and its preparation method, film capacitor

【技术实现步骤摘要】
柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器
本专利技术涉及能源领域，特别是涉及柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器。
技术介绍
随着电子设备逐渐往小型化、多功能和轻薄化等趋势发展，组成电子设备的电子元器件也需要面向小型化、轻薄化、高集成化和多功能化的趋势发展。对于薄膜电容器，实现小型化较理想的途径为提高电介质薄膜的介电常数以增加电容量。电介质薄膜主要有高分子储能薄膜和陶瓷储能薄膜，在传统的薄膜电容器中，使用的电介质薄膜主要为高分子储能薄膜。由于陶瓷储能薄膜的介电常数远远高于高分子储能薄膜的介电常数，因此，使用陶瓷储能薄膜取代高分子储能薄膜符合薄膜电容器的发展趋势。但是，陶瓷储能薄膜缺少高分子储能薄膜的柔韧性。
技术实现思路
基于此，有必要针对陶瓷储能薄膜柔韧性不足的问题，提供一种柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器；通过该制备方法实现了储能薄膜柔性化，同时还使储能薄膜具有高可靠性和高储能密度，可以用作薄膜电容器的电介质材料。一种柔性储能薄膜的制备方法，包括：提供一柔性金属衬底；以钛金属作为靶材，采用磁过滤多弧离子镀方法在所述柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛预制层，其中所述磁过滤多弧离子镀方法中的工作气氛为氩气和氧气的混合气体；对沉积有二氧化钛预制层的柔性金属衬底进行热处理，得到柔性储能薄膜。在其中一个实施例中，所述磁过滤多弧离子镀方法的电弧电流为45A～60A，引出电流为7A～11A，施加于所述柔性金属衬底上的偏压为5V～10V，沉积时间为1分钟～80分钟。在其中一个实施例中，所述混合气体的通入流量为20sccm～50sccm，所述混合气体中氩气和氧气的通入流量比为9:1～1:1，真空度为2.0×10-2Pa～6.0×10-2Pa。在其中一个实施例中，所述二氧化钛预制层的厚度为40nm～3.2μm，所述二氧化钛预制层的晶粒大小为20nm～200nm。在其中一个实施例中，在热处理时充入氧气，所述氧气的流量为100sccm～200sccm，真空度为0.1Pa～1Pa。在其中一个实施例中，所述热处理的温度为300℃～500℃，时间为30分钟～300分钟。在其中一个实施例中，所述柔性金属衬底的厚度为12μm～18μm；及/或所述柔性金属衬底的表面粗糙度为0.4μm～0.8μm；及/或所述柔性金属衬底的表面张力≥60达因；及/或所述柔性金属衬底包括铜箔、钛箔、银箔、金箔、铂箔、铝箔、镍箔、铬箔、锡箔中的一种。本专利技术采用柔性金属衬底，通过磁过滤多弧离子镀方法在柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛层，构成柔性储能薄膜，实现了陶瓷储能薄膜的柔性化。而且，通过控制磁过滤多弧离子镀的电弧电流、引出电流、柔性金属衬底偏压和工作气氛等，提高二氧化钛层与柔性金属衬底的结合力以及薄膜质量，再通过热处理消除氧空位和残余应力，得到结构致密、晶粒分布均匀的二氧化钛层，进而得到高储能密度和高弯曲特性的柔性储能薄膜。柔性储能薄膜经过多次弯曲后储能密度的保持率以及结合力的稳定性较好，可靠性高。一种如上述制备方法得到的柔性储能薄膜，所述柔性储能薄膜包括柔性金属衬底以及形成于所述柔性金属衬底上的二氧化钛层。在其中一个实施例中，所述二氧化钛层的厚度为30nm～2μm，所述二氧化钛层的晶粒大小为30nm～300nm。在其中一个实施例中，所述柔性金属衬底的厚度为12μm～18μm；及/或所述柔性金属衬底的表面粗糙度为0.4μm～0.8μm；及/或所述柔性金属衬底的表面张力≥60达因；及/或所述柔性金属衬底包括铜箔、钛箔、银箔、金箔、铂箔、铝箔、镍箔、铬箔、锡箔中的一种。在其中一个实施例中，所述柔性储能薄膜的最小弯折半径为2mm～20mm；及/或所述柔性储能薄膜的击穿场强为1800kV/cm～3500kV/cm；及/或所述柔性储能薄膜的储能密度为20J/cm3～60J/cm3；及/或所述二氧化钛层与所述柔性金属衬底的附着力为5B。本专利技术储能薄膜不仅实现了柔性化，而且具有较高的击穿场强，储能密度和结合力。经过多次弯曲后储能密度的保持率以及结合力的稳定性较好，柔性储能薄膜的可靠性高。一种薄膜电容器，所述薄膜电容器包括如上述的柔性储能薄膜使用本专利技术的柔性储能薄膜代替高分子薄膜，可促进薄膜电容器面向小型化、轻薄化、高集成化和多功能化的趋势发展。同时，薄膜电容器还具有无极性、绝缘阻抗高、频率特性优异(频率响应宽)、介质损耗小等优点。可应用于电子、家电、通讯、电力、电气化铁路、新能源汽车、风力发电、太阳能发电等多个行业。尤其是在信号交连的部分，使用本专利技术频率特性好、介质损耗低的薄膜电容器，可确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生，具有良好的电工性能和高可靠性。附图说明图1为本专利技术柔性储能薄膜的结构示意图；图2为本专利技术磁过滤多弧离子镀方法的原理示意图。图中：1、真空弧源；2、打火装置；3、可视窗口；4、过滤磁场；5、聚焦磁场；6、真空腔体；10、柔性金属衬底；11、靶材；12、电子；13、金属液滴；14、离子；15、金属原子；20、二氧化钛层。具体实施方式以下将对本专利技术提供的柔性储能薄膜及其制备方法、薄膜电容器作进一步说明。本专利技术提供的柔性储能薄膜的制备方法包括：S1，提供一柔性金属衬底；S2，以钛金属作为靶材，采用磁过滤多弧离子镀方法在所述柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛预制层，其中所述磁过滤多弧离子镀方法中的工作气氛为氩气和氧气的混合气体；S3，对沉积有二氧化钛预制层的柔性金属衬底进行热处理，得到柔性储能薄膜。在步骤S1中，所述柔性金属衬底的材料不限，只要柔韧性好、高温抗氧化能力强、具有导电性、不与二氧化钛陶瓷薄膜反应即可，包括铜箔、钛箔、银箔、金箔、铂箔、铝箔、镍箔、铬箔、锡箔中的一种，也可以为铜合金、钛合金、银合金、金合金、铂合金、铝合金、镍合金、铬合金、锡合金中的一种。考虑到铜箔是电子工业领域性价比最好的金属材料，其电阻率为1.75×10-8Ω·m，仅次于银(1.65×10-8Ω·m)，导热系数401W/(m·K)，仅次于银(420W/(m·K))，而铜的价格远低于银的价格。其次，工业用铜箔比较成熟，铜箔分为压延铜箔和电解铜箔，且都经过电镀处理以防氧化和高温防氧化，在空气中煅烧都不会产生氧化。因此，所述柔性金属衬底优选为铜箔。进一步的，所述压延铜箔由平行于铜箔表面的棒状晶粒组成，具有较优的耐弯折性能，所述电解铜箔由垂直于铜箔表面的棒状晶粒组成，耐弯折性能低于压延铜箔，因此，所述铜箔优选为压延铜箔。所述柔性金属衬底越薄，柔韧性越好，因此，所述柔性金属衬底的厚度为12μm～18μm，进一步优选为12μm的压延铜箔。在薄膜电容器中，柔性金属衬底作为电极，二氧化钛层与电极接触的实际面积与柔性金属衬底的表面粗糙度有关，表面粗糙度越大，实际接触面积越大，单位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，包括：/n提供一柔性金属衬底；/n以钛金属作为靶材，采用磁过滤多弧离子镀方法在所述柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛预制层，其中所述磁过滤多弧离子镀方法中的工作气氛为氩气和氧气的混合气体；/n对沉积有二氧化钛预制层的柔性金属衬底进行热处理，得到柔性储能薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
提供一柔性金属衬底；
以钛金属作为靶材，采用磁过滤多弧离子镀方法在所述柔性金属衬底上沉积形成二氧化钛预制层，其中所述磁过滤多弧离子镀方法中的工作气氛为氩气和氧气的混合气体；
对沉积有二氧化钛预制层的柔性金属衬底进行热处理，得到柔性储能薄膜。


2.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述磁过滤多弧离子镀方法的电弧电流为45A～60A，引出电流为7A～11A，施加于所述柔性金属衬底上的偏压为5V～10V，沉积时间为1分钟～80分钟。


3.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述混合气体的通入流量为20sccm～50sccm，所述混合气体中氩气和氧气的通入流量比为9:1～1:1，真空度为2.0×10-2Pa～6.0×10-2Pa。


4.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述二氧化钛预制层的厚度为40nm～3.2μm，所述二氧化钛预制层的晶粒大小为20nm～200nm。


5.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，在热处理时充入氧气，所述氧气的流量为100sccm～200sccm，真空度为0.1Pa～1Pa。


6.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为300℃～500℃，时间为30分钟～300分钟。


7.根据权利要求1所述的柔性储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，王志建，
申请(专利权)人：浙江清华柔性电子技术研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33