一種基于石墨烯復(fù)合膜的薄膜電容器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜電容器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨烯復(fù)合薄膜電容器的生產(chǎn) 技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的薄膜電容器是利用金屬化復(fù)合膜薄膜制作電容器，即，通過真空鍍膜機(jī)使 鋁、鋅或其它金屬的加熱熔化，真空蒸發(fā)條件下來完成對(duì)基材薄膜的表層金屬化，形成電容 器的電極層。傳統(tǒng)的薄膜電容器的基材一般為聚丙烯和聚酯薄膜，基材的厚度薄；為了獲 得較大的電容，需要將材料卷制到足夠長(zhǎng)，獲得的薄膜電容器可以用于交直電路。薄膜電容 器及其制備方法的缺點(diǎn)是金屬鍍層結(jié)構(gòu)不致密、雜質(zhì)含量大，鍍層的金屬膜層在大氣下極 其容易氧化，導(dǎo)致金屬膜層質(zhì)量和成品率降低。上述諸多缺點(diǎn)對(duì)電容器使用壽命影響巨大， 在金屬化加工中容易對(duì)基材薄膜造成很大的損傷，降低介電強(qiáng)度（基材厚度可減少1/4~ 1/5,嚴(yán)重影響其介電強(qiáng)度）。更嚴(yán)重的是，金屬化復(fù)合膜電容器在工作運(yùn)行中容易受到環(huán)境 溫度和濕度等因素的影響，導(dǎo)致工作運(yùn)行可靠性大大降低。在電場(chǎng)作用下易發(fā)生電化學(xué)反 應(yīng)和空氣電離，因而存在一定安全隱患。
[0003] 石墨烯是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，作為一種新型材料其應(yīng)用 仍在不斷探索中。微型石墨烯超級(jí)電容器就因其超級(jí)電容的效果受到世界矚目，但這種微 型石墨烯超級(jí)電容器與薄膜電容器的結(jié)構(gòu)上存在較大差異，超級(jí)電容器是基于電化學(xué)原理 的超級(jí)電容器，一般需要配合電解液使用，超級(jí)電容器在分離的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ) 電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大；由于超級(jí)電容器內(nèi)電阻大，往往不 可以用于交流電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯復(fù) 合膜的薄膜電容器的制備方法，其中通過對(duì)其關(guān)鍵電極層的材料、制備工藝參數(shù)等進(jìn)行改 進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明涉及的方法能夠有效解決金屬化復(fù)合膜電容器金屬鍍層結(jié)構(gòu) 不致密、雜質(zhì)含量大的問題，并且加工工藝對(duì)基材的損傷降低，按照本發(fā)明方法制備的薄膜 電容器的性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于石墨烯復(fù)合膜的薄膜 電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] (1)在70°C~110°C的溫度下，將濃度為0?lmg/ml~lOOmg/ml的氧化石墨稀水溶 液涂覆在絕緣薄膜上，形成厚度不小于100A的涂覆層；涂覆速度為3m/s~30m/s;
[0007] (2)將步驟（1)得到的具有涂覆層的絕緣薄膜展平；接著，將該具有涂覆層的絕緣 薄膜置于溫度為30°C~120°C的烘箱內(nèi)烘干固化；所述烘干的時(shí)間為5分鐘~60分鐘；
[0008] (3)將步驟（2)得到的薄膜在保持展平的狀態(tài)下，用質(zhì)量濃度為1%~50%的氫碘 酸溶液還原；所述的還原時(shí)間為5分鐘~90分鐘；然后，將所述薄膜在溫度為30°C~120°C 的烘箱內(nèi)烘干，得到石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜；
[0009] (4)將步驟（3)得到的石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜預(yù)留屏帶，然后切割、卷繞，最 終形成薄膜電容器。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（1)中所述涂覆時(shí)覆膜壓力為Ibar~lObar。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（1)中的涂覆層的厚度為100A~丨000A。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（1)中的絕緣薄膜為聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙 烯和聚碳酸酯薄膜中的任意一種，絕緣薄膜的厚度為4微米~12微米。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（2)中將具有涂覆層的絕緣薄膜展平是通過 將具有涂覆層的絕緣薄膜傳送入薄膜張力調(diào)平裝置進(jìn)行的。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（2)中的烘箱為鼓風(fēng)烘箱。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（2)中在溫度為120°C的烘箱內(nèi)的烘干時(shí)間 不超過15分鐘。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（3)中用質(zhì)量濃度為50%的氫碘酸溶液還原 的時(shí)間不超過10分鐘。
[0017] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0018] 1.本發(fā)明得到的基于石墨烯復(fù)合膜的薄膜電容器，采用石墨烯代替了傳統(tǒng)薄膜電 容的金屬（如鋁、鋅等），由于石墨烯自身電阻率低、可彎曲的性質(zhì)，得到的薄膜電容器能量 密度、功率密度大。并且，石墨烯材料的強(qiáng)度大、韌性好，其覆膜合成技術(shù)簡(jiǎn)單；由于采用溶 液的涂覆工藝，減小了制備過程對(duì)基材薄膜（即絕緣薄膜）的損傷，保證了絕緣薄膜的介電 強(qiáng)度，有效的提高了抗電強(qiáng)度以及電容器的使用壽命，為薄膜電容器的性能提供了有利保 障。
[0019] 由于石墨烯材料的比表面積高、致密性好，得到的基于石墨烯復(fù)合膜的薄膜電容 器的能量密度、功率密度大，能夠進(jìn)一步減小電容器的體積，增大電容量，降低成本。石墨烯 復(fù)合膜制作釆用物理合成技術(shù)對(duì)環(huán)境無污染，生產(chǎn)電容器更清潔。在相對(duì)于現(xiàn)有金屬化薄 膜電容器的使用環(huán)境要求更低，耐溫、耐熱、防爆抗擊穿能力更強(qiáng)。在大氣環(huán)境中工作運(yùn)行 的石墨烯復(fù)合膜薄膜電容器性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)金屬化薄膜電容器，使得石墨烯復(fù)合膜薄膜電容 器有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0020] 2.通過對(duì)制備工藝中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步保證了基于石墨烯復(fù)合膜的薄膜電 容器的品質(zhì)。在石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜電容器中，石墨烯作為電極層，既要與絕緣薄 膜間有較強(qiáng)的附著力，又要覆蓋均勻確保良好的導(dǎo)電性。
[0021] 以在絕緣薄膜上涂覆氧化石墨烯水溶液形成涂覆層為例，為了形成均勻厚度可控 的涂覆層，涂覆層的厚度不小于100A(可進(jìn)一步優(yōu)選為IOOA~1000A，IA=O.lnm)， 氧化石墨稀水溶液的濃度為0.lmg/ml~100mg/ml;覆膜溫度應(yīng)控制在70°C~110°C之間， 溫度決定著氧化石墨烯水溶液的狀態(tài)，并且會(huì)影響氧化石墨烯水溶液向絕緣薄膜的滲透和 擴(kuò)散，對(duì)形成的涂覆層的形貌具有至關(guān)重要的影響。覆膜時(shí)，覆膜壓力也會(huì)影響形成的涂覆 層的品質(zhì)，壓力過小則黏結(jié)不牢，壓力過大則可能導(dǎo)致涂覆層與基材材料產(chǎn)生過多缺陷，本 發(fā)明覆膜壓強(qiáng)優(yōu)選為Ibar~lObar，涂覆層與絕緣薄膜的黏結(jié)效果好。涂覆覆膜的生產(chǎn)速 度對(duì)應(yīng)著絕緣薄膜與氧化石墨烯水溶液的接觸時(shí)間，并受氧化石墨烯水溶液濃度的影響， 本發(fā)明中的涂覆覆膜的生產(chǎn)速度為3m/s~30m/s，在該速度下氧化石墨烯水溶液與絕緣薄 膜的接觸效果良好。本發(fā)明中的在絕緣薄膜上覆膜得到涂覆層結(jié)構(gòu)的工藝，可直接使用涂 覆膜機(jī)實(shí)現(xiàn)。
[0022] 在對(duì)具有涂覆層的絕緣薄膜進(jìn)行烘干固化的階段，通過薄膜張力調(diào)平裝置（即通 過調(diào)節(jié)張力輥的傳感器來調(diào)節(jié)薄膜的展平效果），可以使薄膜始終保持良好的表面平整性， 確保固化后的氧化石墨烯涂覆層的平整性與均勻性。
【附圖說明】
[0023] 圖Ia是石墨烯二維結(jié)構(gòu)示意圖，圖Ib是氧化石墨烯水溶液；
[0024] 圖2是本發(fā)明的流程示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明涂覆工藝的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3中附圖標(biāo)記所代表的含義如下：1.送膜；2.氧化石墨烯水溶液定量裝置； 3.涂覆輥；4.刮刀；5.壓輥；6.薄膜張力調(diào)平及烘干；7.光輥；8.橡膠輥；9.還原裝置； 10.烘干裝置；11.收卷。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] 如圖3所示，將1000 ml質(zhì)量濃度為0.lmg/ml氧化石墨稀水溶液傾倒到涂覆槽中， 涂覆機(jī)生產(chǎn)速度控制在3m/s，送料1為電容器用薄膜，通過2號(hào)和3號(hào)傳送輥將氧化石墨烯 水溶液均勻涂覆在薄膜上，為確保涂層厚度可控且涂層均勻，通過調(diào)整4刮刀的角度和高 度來修正氧化石墨稀層厚度，控制涂覆層厚度在500A，壓棍5調(diào)整適合壓力3bar完成氧 化石墨烯同薄膜穩(wěn)固附著，再通過張力調(diào)平裝置6保持復(fù)合薄膜具有良好的展平效果以便 烘干固化，且?guī)в泻娓裳b置，溫度控制在100°C，通過導(dǎo)輥傳送到壓力為2bar的剪輥7#和 8#實(shí)現(xiàn)保持展平狀態(tài)，隨后進(jìn)入盛有濃度為40%的還原溶液（如：氫碘酸等）裝置9進(jìn)行 還原反應(yīng)，在此還原過程中，氧化石墨烯薄膜與還原溶液（如：氫碘酸等）發(fā)生反應(yīng)，被氫碘 酸還原為石墨烯，獲得所需的石墨烯復(fù)合薄膜產(chǎn)品，為去除薄膜表面水分再經(jīng)過10完成烘 干固化后11收卷，得到石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜。
[0030] 由于涂覆機(jī)是將石墨烯整幅涂覆在電容器用薄膜上，而實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中是根 據(jù)電容器的規(guī)格，因此上述石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜還需要經(jīng)過激光切割的步驟。通 過激光切割，能將石墨烯/絕緣薄膜的復(fù)合薄膜上的石墨