【技術(shù)背景】
隨著電力需求的不斷增長，高性能儲(chǔ)能裝置對現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。與超級電容器和鋰電池相比，脈沖儲(chǔ)能電介質(zhì)電容器擁有超高的可釋放功率密度，高的操作電壓、極快的充放電速率以及長的循環(huán)壽命，是重要的新型功率儲(chǔ)能器件，在新能源汽車、高端醫(yī)療器械、智能電網(wǎng)調(diào)頻、可控核聚變、電磁炮等高功率脈沖技術(shù)的軍民領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
【痛點(diǎn)問題】
1、要獲得足夠的可釋放能量，必須將電容器的體積做得十分龐大，遠(yuǎn)無法滿足當(dāng)前對輕質(zhì)、小型化以及高儲(chǔ)能性能脈沖電容器的需求，這成為本行業(yè)急需解決的“卡脖子”問題。
2、以 PVDF 為代表的鐵電聚合物材料商用化過程時(shí)，美、日等國一直處于壟斷地位，國內(nèi)生產(chǎn)的薄膜儲(chǔ)能電容器的儲(chǔ)能密度偏低，與國外品牌有較大差距。
【解決方案】
1、高介電高長徑比BaTiO3和SrTiO3納米線的可控制備
本技術(shù)針對傳統(tǒng)靜態(tài)水熱反應(yīng)產(chǎn)物易團(tuán)聚、易沉淀，難以制備高介電高長徑比BaTiO3和SrTiO3納米線這一工藝難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有攪拌功能的水熱反應(yīng)釜。采用二次攪拌水熱反應(yīng)，利用不同的攪拌速率實(shí)現(xiàn)了對不同長度BaTiO3和SrTiO3納米線的可控制備。本技術(shù)BaTiO3和SrTiO3納米線的長徑比可達(dá)100以上，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
圖1 (a) 500 r/min 與(b) 1000 r/min的攪拌水熱工藝制備的BaTiO3納米線的SEM形貌圖
2、介電陶瓷納米顆粒（納米線）的包覆及表面改性技術(shù)
為了提升介電常數(shù)與擊穿場強(qiáng)，本技術(shù)采用在納米顆粒或者納米線表面包覆一層介質(zhì)材料，再利用多巴胺等有機(jī)物進(jìn)行表面改性，改善有機(jī)無機(jī)界面特性。在高介電常數(shù)的BaTiO3納米顆粒表面包覆一層高度絕緣的SiO2層構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)的填料。與未包覆SiO2的BaTiO3納米顆粒填充的復(fù)合材料相比，SiO2包覆雖然降低了復(fù)合材料的電位移，但由于界面極化的降低，顯著提升了擊穿場強(qiáng)的同時(shí)降低了剩余極化，最終實(shí)現(xiàn)了可釋放儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率的大幅提升。
圖2 高介電納米顆粒表面改性，多巴胺修飾SiO2@BT的透射電子顯微圖
3、復(fù)合納米（顆粒）纖維-聚合物多級復(fù)合介電膜的大面積逐層澆注流延工藝，實(shí)現(xiàn)尺寸不小于20 cm×100 cm高質(zhì)量多層介質(zhì)膜制備
國際上研究制備的多層納米復(fù)合介質(zhì)膜的尺寸偏小，只適合用于驗(yàn)證材料設(shè)計(jì)的合理性和儲(chǔ)能性能提升的機(jī)理研究，不能滿足薄膜儲(chǔ)能電容器產(chǎn)品制作對介質(zhì)膜的尺寸要求（不小于20 cm×100 cm，根據(jù)目前制作薄膜儲(chǔ)能電容器產(chǎn)品中卷繞設(shè)備的尺寸決定）。本項(xiàng)目擬采用改進(jìn)的流延機(jī)產(chǎn)品，通過大面積逐層澆注流延工藝，可制備出不小于20 cm×100 cm高質(zhì)量多層介質(zhì)膜，相比同行研究，更接近市場應(yīng)用。
圖3 (a) 澆注工藝; (b) 流延工藝制備的BaTiO3/P(VDF-TrFE)納米復(fù)合薄膜
4、納米蒸鍍“自愈”性金屬化電極膜技術(shù)
采用絕緣基膜預(yù)處理、納米鋅蒸鍍、表面處理及二次蒸鍍納米銀及氧化銀等工藝，實(shí)現(xiàn)“自愈”性金屬化膜的制備，高壓瞬間擊穿后兩個(gè)極片重新相互絕緣而繼續(xù)工作，大幅提高脈沖電容的可靠性。
圖4 表面金屬化納米聚合物薄膜及截面微觀結(jié)果圖
5、多層異質(zhì)膜復(fù)合膜大面積“擠出”-“拉伸”制備技術(shù)
利用鐵電層與線性層介電性能的差異實(shí)現(xiàn)對材料層內(nèi)局域電場分布的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擊穿強(qiáng)度（界面阻礙效應(yīng)）與界面極化（界面極化效應(yīng)）的調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)對多層異質(zhì)復(fù)合材料儲(chǔ)能性能優(yōu)化。利用“擠出”-“拉伸”制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)三明治結(jié)構(gòu)納米復(fù)合多層介電薄膜的大面積宏量制備，從而實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能密度脈沖薄膜電容的產(chǎn)業(yè)化。
圖5 BaTiO3/P(VDF-TrFE)納米復(fù)合薄膜的擠出-拉伸制備及測試過程
【技術(shù)優(yōu)勢】
當(dāng)前市場掌握脈沖儲(chǔ)能電容技術(shù)的企業(yè)主要有日本東麗、東方集團(tuán)、德國創(chuàng)世普、廈門法拉和銅峰電子，但是其采用的介質(zhì)材料的儲(chǔ)能密度低，導(dǎo)致產(chǎn)品體積龐大，滿足不了高端應(yīng)用需要，而且其成本較高，不利于市場推廣。
本技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：
（1）本技術(shù)的薄膜電容器儲(chǔ)能密度提升至10/cm3以上，從而可以將儲(chǔ)能電容安裝空間由原來的體積縮小至現(xiàn)在的1/3，或在原來的體積不變的情況下，將原來的儲(chǔ)能量提高3倍。
（2）“自愈”性金屬化膜，高壓瞬間擊穿后兩個(gè)極片重新相互絕緣而繼續(xù)工作，脈沖電容可靠性提高2倍以上。
（3）擁有獨(dú)特的材料與器件技術(shù)，專利布局完整技術(shù)壁壘高。
【技術(shù)指標(biāo)】
利用上述技術(shù)，經(jīng)過企業(yè)成熟的組裝與加工技術(shù)（卷繞、噴金、賦能、焊接和組裝調(diào)試等），獲得了高儲(chǔ)能密度金屬化納米復(fù)合薄膜電容器樣機(jī)。
圖6 金屬化納米復(fù)合薄膜電容器設(shè)計(jì)與實(shí)物圖
該產(chǎn)品的額定電壓 6500Vdc、電容量 25000μF、重量20kg，性能相比現(xiàn)有產(chǎn)品的電容量提高2-3倍。
【應(yīng)用場景】
可用于應(yīng)用于人工智能、海洋石油天然氣及地質(zhì)勘探、醫(yī)療技術(shù)、準(zhǔn)分子激光器等領(lǐng)域。另外，脈沖儲(chǔ)能電容器作為一種有特殊用途的電容器，同時(shí)也是國家工信部重點(diǎn)規(guī)劃發(fā)展的元器件。
【市場前景】
隨著微電子、新能源汽車等行業(yè)近些年的快速發(fā)展，電容器的市場規(guī)模迅速擴(kuò)大，每年的全球銷售額達(dá)到數(shù)百億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2010-2019年我國薄膜電容器行業(yè)市場規(guī)模年復(fù)合增長率為13%，遠(yuǎn)高于全球薄膜電容器市場8%的復(fù)合增長率。 2020年我國薄膜電容器市場規(guī)模為102 億元，約占全球市場總產(chǎn)值的60%以上，位居全球第一。隨著碳中和引領(lǐng)的新能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，節(jié)能減排嚴(yán)要求的趨勢，目前薄膜電容器產(chǎn)業(yè)正在從快速增長期進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，行業(yè)發(fā)展的新舊動(dòng)能正處在轉(zhuǎn)換階段。初步估計(jì)2022年國內(nèi)薄膜電容器市場規(guī)模將達(dá)到 120 億元，并以20%以上的速度增長。本技術(shù)的產(chǎn)品市場定位為高能量密度脈沖功率電容器及其儲(chǔ)能系統(tǒng)，目標(biāo)客戶可分為高校與科研院所、軍工單位、醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、國家電網(wǎng)相關(guān)企業(yè)等，其產(chǎn)值預(yù)期超過50億元。
【知識產(chǎn)權(quán)】
該技術(shù)已申請多項(xiàng)中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
【合作方式】
技術(shù)許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、面談等
【專家介紹】
張海波，男，博士，華中科技大學(xué)教授，日本高知大學(xué)、德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)訪問學(xué)者，德國洪堡基金獲得者，曾作為高層次人才受到德國總統(tǒng)接見。主要從事先進(jìn)陶瓷材料、一維鐵電納米材料和聚合物基納米復(fù)合材料研究，先后主持、承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置項(xiàng)目、湖北省技術(shù)創(chuàng)新重大專項(xiàng)、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究項(xiàng)目10余項(xiàng)，在Nano Energy、 Journal of Materials Chemistry A、 ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Acta Materialia、Journal of the American Ceramics Society等國際知名期刊SCI核心期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。先后獲得武漢市青年晨光計(jì)劃、德國“洪堡學(xué)者”等稱號，2017年還獲得歐洲陶瓷學(xué)會(huì)“最佳論文”獎(jiǎng)勵(lì)，是近20年來少數(shù)獲此殊榮的華人學(xué)者之一。張海波教授在高性能無鉛壓電陶瓷材料及多層器件、高密度介電儲(chǔ)能電容器材料以及手機(jī)用氧化鋯陶瓷構(gòu)件材料等方向從事多年基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)工作，研制的儲(chǔ)能電容器用納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
【聯(lián)系方式】
