CN101465208A - 高容量薄膜电容器系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高容量薄膜电容器系统及其制造方法。提供一种薄膜电容器(10)，所述薄膜电容器(10)包括具有多个孔隙(14)的一对电极(12)。该薄膜电容器(10)包括沉积在该对电极(12)的每一个上以形成电介质层的聚合物薄膜(20)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及薄膜电容器，更具体地涉及高容量的薄膜电容器。
背景技术
在过去的十年中，通过先进的制造技术和新材料的结合实现了电容器的可靠性的显著增加。薄膜电容器根据制造技术可分为三种类型，即：薄膜及箔电容器、金属化薄膜电容器和混合技术薄膜电容器。
总体上，薄膜及箔电容器包括由一层塑料薄膜分开的两个金属箔电极。一种常用的塑料薄膜是聚丙烯。典型地，薄膜及箔电容器通过两片铝箔与两层塑料薄膜交替布置而制成。这些交织层以阻止金属层相互接触的方式围绕主轴缠绕。该薄膜及箔电容器由于其高电流处理能力广泛地用于大功率和公用工业中。金属化薄膜电容器与薄膜及箔电容器的不同之处在于铝箔被一层金属薄膜取代，该层金属薄膜真空沉积于该层塑料薄膜上。该金属薄膜层通常非常薄(大约50-500埃的数量级)，并典型地为铝或锌。该金属化电容器的优点在于故障保险特征、低等效串联电阻、尺寸小、简单和制造成本小。混合技术薄膜电容器是薄膜及箔电容器和金属化电容器两者的组合。典型地，这些都是高电压电容器。
尽管在过去的几十年中电容器取得了显著的改进，但是继续存在某些问题，例如导致低容量的薄膜的小表面面积和厚度限制。因此，需要设计一种能解决前述问题和满足工业应用中现有需求的薄膜电容器。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种薄膜电容器。该薄膜电容器包括具有多个孔隙的一对电极。该薄膜电容器还包括聚合物薄膜，所述聚合物薄膜沉积在该对电极的每一个上以形成电介质层。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种制造薄膜电容器的方法。该方法包括设置一对电极。该方法还包括在该对电极的每一个上形成多个孔隙。该方法还包括在该对电极的每一个上施加聚合物薄膜的涂层。
附图说明
在参考附图阅读后述的具体实施方式后，本发明的这些和其他特征、方面和优势将更好理解，其中同样的附图标记贯穿附图表示同样的部件，其中：
图1是根据本发明实施例、包括聚合物薄膜和多孔电极的薄膜及箔电容器系统的剖面图；
图2是根据本发明实施例、包括聚合物薄膜和多孔电极的金属化薄膜电容器的剖面图；和
图3是阐述根据本发明实施例、制造电容器系统的示范性方法的步骤的流程图。
具体实施方式
如在后面详述的，本发明的实施例包括具有改善的电子特征和可在高电压工作的薄膜电容器。也描述了制造这种电容器的方法。在此考虑的一些电介质特征是介电常数和击穿电压。电介质的“介电常数”是指在电极之间和电极周围的空间充满电介质时电容器的容量与真空状态下同样构造的电极的容量的比率。在此用到的“击穿电压”指在施加的交流或直流电压下电介质材料的电介质抗击穿性的测量。击穿之前的施加电压除以电介质材料的厚度得到击穿电压。通常采用电位差单位与长度单位的比计量，例如千伏每毫米(kV/mm)。在此用到的术语“高电压”指的是工作电压至少为约200V。此外，术语“高容量”指的是μF数量级的容量。
图1是薄膜-箔电容器10一部分的剖面图，包括电极12，例如具有多个孔隙14的负电极。在特定实施例中，该电极包括铝、铜、不锈钢、钽和钛箔。在又一个实施例中，该孔隙14是在电极12上的多孔表面18上凹进的。在再一个实施例中，该孔隙14由设置在电极12上的多个多孔碳颗粒或其他纳米金属颗粒18形成，包括银、铜、锌、钛、钨、碳化钛和氮化钛。在再一个实施例中，该孔隙14包括小于大约1000nm的间隙。多孔碳颗粒18的非限定性实例包括碳黑、活性碳、碳纳米管和trimetasphere碳富勒分子球。聚合物薄膜20还设置在电极12上以形成电介质层.该聚合物薄膜20典型地包括有机聚合物、无机材料或聚合物薄膜。无机材料的非限定性实例有氮化硼(BN)、云母、氧化铝、氧化硅、氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)。聚合物薄膜20的一些非限定性实例包括聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚碳酸酯(PC)、芴基聚酯(FPE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、特氟纶(聚四氟乙烯)(PTFE)、(聚醚酰亚胺)和它们的组合。在再一个实施例中，聚合物薄膜包括从包括氰基树脂、纤维素、乙酸酯、丙烯酸酯和聚偏氟乙烯(polyvinyldifluoride)的组中选择至少一种聚合物。
在特定实施例中，聚合物薄膜包括最厚约为1μm的厚度。在一个实例中，该薄膜-箔电容器包括至少约为100μF的容量。形成电介质层的聚合物薄膜20可工作于约-50℃到约200℃之间的温度范围。该电介质层的直流击穿电压可在约200-600kV/mm之间的范围。
图2是金属化薄膜电容器30一部分的剖面图，包括具有多个孔隙34的电极32，例如负电极。金属化涂层36沉积在电极32上。在特定实施例中，电极32包括双面金属化聚合物薄膜，例如但不局限于聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、(聚醚酰亚胺)和
(聚酰亚胺)。在又一个实施例中，孔隙34由设置于电极32上的多个多孔碳颗粒38设置形成。多孔碳颗粒38的非限定性实例包括碳黑、活性碳、碳纳米管和trimetasphere碳富勒分子球。活性碳的一些非限定性实例的一些包括颗粒、纤维、粉末、薄片、织物和毡。在再一个实施例中，该孔隙34包括小于大约1000nm的间隙。聚合物薄膜40还设置在电极32上以形成电介质层。在一个实施例中，聚合物薄膜包括从包括氰基树脂、纤维素、乙酸酯、丙烯酸酯和聚偏氟乙烯的组中选择的至少一种聚合物。在特定实施例中，聚合物薄膜包括最厚约为1μm的厚度。在一个实例中，该薄膜-箔电容器包括至少约为100μF的容量。形成电介质层的聚合物薄膜40可工作于约-50℃到约200℃之间的温度范围。该电介质层的直流击穿电压可在约200-600kV/mm之间的范围。金属化涂层30的厚度典型地在约50埃到约500埃之间的范围内变化。
图3是阐述制造薄膜电容器的示范性方法50的步骤的流程图。方法50包括在步骤52中设置一对电极。在步骤54，在该对电极的每一个上形成多个孔隙。在一特定实施例中，通过设置该对电极带有多孔表面而形成孔隙。在又一个实施例中，该孔隙借助于将多个多孔碳颗粒粘贴在该对电极的每一个上而形成，碳颗粒例如但不局限于活性碳、碳黑、碳纳米管或trimetasphere碳富勒分子球。在步骤56，聚合物薄膜的涂层施加于该对电极的每一个上。在一个示范性的实施例中，聚合物薄膜的涂层经由电泳技术例如浸渍涂层施加。此外，该对电极可选地用油浸透以避免在电极间的间隙中起弧或局部放电。在步骤58，涂层有聚合物薄膜的电极被缠绕成电容器。
本发明的电介质层能以几种方式沉积。这些方式包括旋转涂覆、浸渍涂层、毛刷涂覆、溶剂浇注和化学气相沉积。在一个实施例中，基于溶液的氰基树脂聚合物经由浸渍涂层沉积在多孔电极上。一旦该溶液干燥，氰基树脂薄膜保持与多孔电极结构的弯曲表面一致。该弯曲表面提供导致增大容量、减少厚度和高击穿强度的大表面积。此外，承载氰基树脂的薄膜避免了薄膜的易碎问题并能成功缠绕电容器。此外，聚合物(如氰基树脂薄膜)已经发现有更高的击穿强度和介电常数。
前述的实施例呈现了相对于现有薄膜电容器和制造这种电容器的方法的明显优势。例如，已经发现由前述技术制造的电容器提供比现有薄膜电容器更大的容量、更大的工作电流、更大的表面积、更大的热稳定性和延长的寿命。而且，实施例在单个电容器设计中提供了高容量、高工作电压、小体积和高能量密度的组合优势。此外，在能量存储和较高频率时的滤波应用中，前述的薄膜电容器可替代电解电容器和超电容器并提供改善的功率电子设计。前述的电极构造还使得易碎的电介质薄膜和纳米复合材料薄膜能沉积并缠绕成电容器。
因而，上述改善的薄膜电容器设计和方法的不同实施例给出了一种提供具有高工作电压以及mF数量级高容量的薄膜电容器的途径。在聚合物基体内植入电活化粒种的能力使得电极可用的表面积能更好使用，因而增大了容量。
需要理解的是，根据任何特定实施例前面描述的所有这些目的或优势并不是必须实现的。因此，例如本领域技术人员应能认识到，在此描述的系统和技术能以这样一种方式实现或实施，该方式能获取或优化在此教导的一个优势或一组优势而并不必须获取在此教导或建议的其他目的或优势。
此外，本领域技术人员能认识到不同实施例中多个特征之间的互换性。例如，关于一个实施例中沉积有多孔碳颗粒的电极的应用适合关于另一个实施例中描述的基于溶液的聚偏氟乙烯聚合物的应用。类似地，所描述的不同特征和每个特征其他已知的等同物根据本发明的原理能通过本领域技术人员混合和匹配以构建附加的系统和技术。
尽管仅仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，需要理解的是本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，本发明能被修改或包含在此没有描述但符合本发明精神和范围的任何数量的变型、变化、替代或等效配置。此外，尽管已经描述本发明的不同实施例，需要理解的是本发明的方面可以仅仅包括所述实施例的一些特征。因而，本发明并不被视为由前述说明限定，而是由所附权利要求的范围限定。
零件列表
10 薄膜-箔电容器
12 电极
14 孔隙
18 多孔表面
20 聚合物薄膜
30 金属化薄膜电容器
32 电极
34 孔隙
36 金属化涂层
38 多孔碳颗粒
40 聚合物薄膜
50 制造薄膜电容器的方法
52 设置一对电极
54 在该对电极的每一个上形成多个孔隙
56 在该对电极的每一个上施加聚合物薄膜的涂层
58 将涂层有聚合物薄膜的电极缠绕成电容器
Claims (10)
1.一种薄膜电容器(10)，其包括：
包括多个孔隙(14)的一对电极(12)；和
聚合物薄膜(20)，所述聚合物薄膜(20)沉积在该对电极(12)的每一个上以形成电介质层。
2.根据权利要求1所述的薄膜电容器(10)，其中该对电极的每一个包括从包含铝、钽、铜、不锈钢、钛或金属化聚合物薄膜的组中选择的至少一项。
3.根据权利要求2所述的薄膜电容器(10)，其中所述金属化聚合物薄膜包括聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的薄膜电容器(10)，其中所述孔隙(14)由在该对电极(12)的每一个上的多孔表面形成。
5.根据权利要求1所述的薄膜电容器(10)，其中所述孔隙(14)由沉积在电极(12)上的多个多孔碳颗粒形成。
6.一种制造薄膜电容器的方法(50)，其包括：
设置一对电极(52)；
在该对电极的每一个上形成(54)多个孔隙；
在该对电极的每一个上施加(56)聚合物薄膜的涂层；和
将涂层有聚合物薄膜的电极缠绕(58)成电容器。
7.根据权利要求6所述的方法(50)，其中，形成(54)多个孔隙包括设置使得该对电极带有多孔表面。
8.根据权利要求6所述的方法(50)，其中，形成(54)多个孔隙包括在该对电极的每一个上粘贴多个多孔碳颗粒。
9.根据权利要求6所述的方法(50)，其中，施加(56)聚合物薄膜的涂层包括经由电泳技术施加涂层。
10.根据权利要求9所述的方法(50)，其中，电泳技术包括浸渍涂层。
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