CN101916672A - 一种固体钽电解电容器及其制备方法 - Google Patents

一种固体钽电解电容器及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种固体钽电解电容器，包括钽阳极体、位于钽阳极体表面的Ta2O5(五氧化二钽)电介质被膜、位于Ta2O5电介质被膜上的导电层、在导电层上被覆的石墨层和银涂层，其特征在于，所述导电层为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和导电高分子材料的混合体系，所述定向排列的碳纳米管阵列以Ta2O5电介质被膜上的微孔为模板生长而成。本发明在导电层中采用定向排列的磁性碳纳米管，增加了导电层的电导率，减小了电容器的等效串联电阻，并使电容器的高频特性得到提高；同时，由于碳纳米管具有优良的导热性，使电容器拥有更高的耐高温特性，增加了电容器的工作寿命，降低了漏电流。

Description

一种固体钽电解电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电容器技术领域，具体涉及一种固体钽电解电容器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子仪器的小型化、轻量化，需要小型且大容量的高频用的电容器，因此提出了固体导电化合物形成固体电解质层的固体电解电容器。
固体电解电容器包括例如Al(铝)或Ta(钽)金属阳极体，在阳极体的表面上经氧化处理而形成的电介质氧化膜，和通过施加固体导电化合物，例如MnO2(二氧化锰)，导电高分子聚合物到氧化膜上，并与氧化膜紧密接触的阴极层。由于电介质氧化膜厚度极小，因此，与纸介质电容器和薄膜电容器相比，电解电容器的尺寸更小容量更大。
对于固体电解电容器，如果将整个块状表面金属氧化膜所造成的电容量称作恒定容量C1，将以多孔体的其余部分氧化膜所得到的电容量称作变化电容量C2，与之串联者即为附加的电解质电阻R，则得到总的电容量C为：
C＝C1+C2(1/(1+(ωC2R)2))            (1)
由式(1)可以看出，在频率逐渐变高后，将导致C2部分失效，总的电容量呈下降的趋势，因而为有效减小C2的损失，必然要求有效地降低R来弥补频率升高对电容量的影响。因此，采用高电导率的化合物作为阴极层的固体电解电容器的高频特性更好。
二氧化锰虽被视为一种很有潜力的电容器电极材料，但二氧化锰的导电性较差，已被某些具有比二氧化锰具有更高导电性的有机化合物所取代，由于电容器的电解质电阻R对电容器的高频特性有很大影响，因此，有必要采用更高电导率的电解质来增加电容器的性能。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种固体钽电解电容器及其制备方法，该器件能克服现有技术中的缺陷，增加了导电层的电导率，增加了电容器在高频条件下的电容量，降低了电容器的漏电流。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种固体钽电解电容器，包括钽阳极体、位于钽阳极体表面的Ta2O5(五氧化二钽)电介质被膜、位于Ta2O5电介质被膜上的导电层、在导电层上被覆的石墨层和银涂层，其特征在于，所述导电层为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和导电高分子材料的混合体系，所述定向排列的碳纳米管阵列以Ta2O5电介质被膜上的微孔为模板生长而成。
按照本发明所提供的固体钽电解电容器，其特征在于，所述导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩、聚苯并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧基噻吩)、聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)、聚对苯、聚并苯、聚乙炔、聚苯撑乙烯、聚双炔、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇或聚乙二醇亚胺。
按照本发明所提供的固体钽电解电容器，其特征在于，所述定向排列的碳纳米管阵列高度为20～100μm。
按照本发明所提供的固体钽电解电容器，其特征在于，所述导电层的厚度大于或等于碳纳米管阵列的高度。
一种固体钽电解电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜，形成正极基体；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和导电高分子单体均匀分散在混合溶液中，再将生长有碳纳米管阵列的正极基体浸入混合溶液中，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，一定时间后取出在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
按照本发明所提供的固体钽电解电容器的制备方法，其特征在于，所述导电层中的导电高分子材料是通过滴涂、旋涂、浸涂、喷墨打印、涂覆、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式制备到生长有碳纳米管阵列的正极基体上。
本发明的有益效果：本发明的固体钽电解电容器中的导电层为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和导电高分子材料的混合体系，由于碳纳米管具有很高的电导率，同时碳纳米管阵列在导电层中定向排列，减小了碳纳米管阵列之间的电阻，因此，大大增加了导电层的电导率，减小了固体钽电解电容器的等效串联电阻，使固体钽电解电容器有更好的高频特性；由于碳纳米管具有优良的导热性，使在Ta2O5电介质被膜中产生的焦耳热能被有效传递并被发散出去，减小了Ta2O5电介质被膜被击穿的几率，使固体钽电解电容器拥有更高的耐热性，增加了电容器工作寿命，减小了漏电流。
附图说明
图1是本发明所提供的固体钽电解电容器的截面图；
图2是本发明实施例1和比较例1中的固体钽电解电容器的频率特性曲线图。
其中，1、钽阳极体，2、Ta2O5电介质被膜，3、导电层，4、石墨层，5、银涂层，6、钽丝，7、导电胶粘剂，8、阳极端，9、阴极端，10、环氧树脂。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，该固体钽电解电容器在内部具备立方体形状的钽阳极体1，以包围该阳极体的方式在阳极体表面形成的Ta2O5电介质被膜2，在电介质被膜2上形成的导电层3，在导电层3上形成的石墨层4，在石墨层上形成的银涂层5。在阳极体上设置向外部突出的圆筒状的钽丝6，阳极端8利用电阻焊接与钽丝6接合，阴极端9使用银胶粘材料等导电性胶粘剂7与银涂层5接合，最后利用环氧树脂10保护固体电解电容器整体。
本发明的固体钽电解电容器中导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和导电高分子材料的混合体系，所述导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩、聚并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧基噻吩)、聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)、聚对苯、聚并苯、聚乙炔、聚苯撑乙烯、聚双炔、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇、聚乙二醇亚胺。
本发明的固体钽电解电容器中导电层3中的定向排列的碳纳米管阵列是以Ta2O5电介质被膜上的微孔为模板生长而成。
本发明的固体钽电解电容器中导电层3中的定向排列的碳纳米管阵列高度为20～100μm。
本发明的固体钽电解电容器中导电层3的厚度大于或等于碳纳米管阵列的高度。
实施例1
基于图1进行说明。其中，导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚苯胺的混合体系，其中，碳纳米管阵列的高度为20μm。
制备方法如下：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和聚苯胺单体均匀分散在混合溶液中，再将生长有碳纳米管阵列的正极基体浸入混合溶液中，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，一定时间后取出在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用银胶等导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
比较例1
采用聚苯胺为固体钽电解电容器的导电层，除此以外，与实施1同样地进行。
表1为实施例1和比较例1中的固体钽电解电容器的各项性能参数。
Figure BSA00000236272500051
实施例2
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚噻吩的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为30μm。
制备方法如下：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和聚噻吩单体均匀分散在混合溶液中，再将混合溶液喷涂到生长有碳纳米管阵列的正极基体上，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用银胶等导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
实施例3
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚吡咯的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为40μm。
制备方法如下：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和聚吡咯单体均匀分散在混合溶液中，再将混合溶液滴涂到生长有碳纳米管阵列的正极基体上，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用银胶等导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
实施例4
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚对苯的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为50μm。
制备方法如下：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和聚对苯单体均匀分散在混合溶液中，再将混合溶液旋涂到生长有碳纳米管阵列的正极基体上，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用银胶等导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
实施例5
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚并苯的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为60μm。
制备方法如下：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和聚并苯单体均匀分散在混合溶液中，用喷墨打印的方法将混合溶液涂覆到生长有碳纳米管阵列的正极基体上，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用银胶等导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
实施例6
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚噻吩的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为80μm。
制备方法与实施例1相似。
实施例7
导电层3为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和聚苯胺的混合体系，其中碳纳米管阵列的高度为100μm。
制备方法与实施例1相似。

Claims (6)

1.一种固体钽电解电容器，包括钽阳极体、位于钽阳极体表面的Ta2O5(五氧化二钽)电介质被膜、位于Ta2O5电介质被膜上的导电层、在导电层上被覆的石墨层和银涂层，其特征在于，所述导电层为长度方向垂直于钽阳极体表面的碳纳米管阵列和导电高分子材料的混合体系，所述定向排列的碳纳米管阵列以Ta2O5电介质被膜上的微孔为模板生长而成。
2.根据权利要求1所述的固体钽电解电容器，其特征在于，所述导电高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩、聚苯并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧基噻吩)、聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)、聚对苯、聚并苯、聚乙炔、聚苯撑乙烯、聚双炔、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇或聚乙二醇亚胺。
3.根据权利要求1所述的固体钽电解电容器，其特征在于，所述定向排列的碳纳米管阵列高度为20～100μm。
4.根据权利要求1所述的固体钽电解电容器，其特征在于，所述导电层的厚度大于或等于碳纳米管阵列的高度。
5.一种固体钽电解电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将纳米钽金属颗粒压制而成块，在钽颗粒的形成体中植立圆筒状的钽丝，在高温及真空条件下烧结成多孔形钽阳极体；
②对烧结好的钽阳极体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5电介质被膜，形成正极基体；
③以Ta2O5电介质被膜的微孔为模板，通过化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，所述碳纳米管的长度方向垂直于钽阳极体表面；
④将氧化剂和导电高分子单体均匀分散在混合溶液中，再将生长有碳纳米管阵列的正极基体浸入混合溶液中，所述正极基体包括钽阳极体及Ta2O5电介质被膜，一定时间后取出在60～80℃的温度范围内逐渐升温去除溶剂形成导电层；
⑤经过工艺处理形成负极石墨层，再在石墨层外形成银涂层；
⑥利用电阻焊接在钽丝上接续阳极端，使用导电型胶粘剂使阴极端与银涂层接合；
⑦采用环氧树脂包封的形式对上述制备的器件进行封装。
6.根据权利要求5所述的固体钽电解电容器的制备方法，其特征在于，所述导电层中的导电高分子材料是通过滴涂、旋涂、浸涂、喷墨打印、涂覆、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式制备到生长有碳纳米管阵列的正极基体上。
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