CN102446627A - 一种金属化薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
一种金属化薄膜电容器，采用双向拉伸聚丙烯薄膜作为介质层，所述的薄膜的厚度为7.5～7.8μm，该薄膜的单面蒸镀锌铝电极，并在该面的宽度方向上的一边留边，留边以外的基条部分蒸镀有锌铝电极，将两卷上述薄膜的留边部分分别放在宽度方向上的不同的一侧上进行卷绕，卷绕成薄膜电容器。该薄膜的宽度为134.6～135.4mm，单边留边宽度为2.1～2.9mm，其在留边上的蒸镀方阻为2～5Ω/□，其在留边以外的基条部分的蒸镀方阻为10～15Ω/□。该电容量为240±5％μF和比能密度达500J/L，在100Hz条件下，其损耗角正切小于8×10-3、工作电压7000V、万次充放电电容损失量＜5％和放电电流达1380～1530A，放电时间约1～1.5ms。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属化薄膜电容器。
背景技术
脉冲电容器在脉冲电源、医疗器械、粒子加速器以及环保等领域都有着广泛的应用。同电力电容器一样，脉冲电容器经历了全纸、纸膜结构、全膜和金属化电极结构的发展历程，其储能密度也由最初的几十J/L提高到近1KJ/L。聚丙烯膜、聚酯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯等薄膜材料在金属化电容器上得到了应用。
其中，金属化聚丙烯薄膜电容器具击穿场强高、介质损耗低、运行温升低，产品寿命长、比特性好、可实现产品小型化、具有自愈功能、可加工特性好等特点而很快得以推广应用和不断发展进步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高储能密度薄膜电容器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：这种
一种金属化薄膜电容器，采用双向拉伸聚丙烯薄膜作为介质层，所述的薄膜的厚度为7.5～7.8μm，该薄膜的单面蒸镀锌铝电极，并在该面的宽度方向上的一边留边，留边以外的基条部分蒸镀有锌铝电极，将两卷上述薄膜的留边部分分别放在宽度方向上的不同的一侧上进行卷绕，卷绕成薄膜电容器。
在本发明的金属化薄膜电容器中，所述的两卷薄膜上的蒸镀有锌铝电极的单面都朝一个方向：或两个蒸镀有锌铝电极的单面都朝外，或都朝里。
在所述的锌铝电极中，铝的含量为18～25wt.％，锌的含量为75～82wt.％。
在本发明的金属化薄膜电容器中，所述薄膜电容器的卷绕芯轴的直径为φ8mm～φ10mm，卷绕1400～1420圈，单个卷绕电容直径φ52±2mm，单个卷绕电容容量90±2μF。
在本发明的金属化薄膜电容器中，所述的薄膜的宽度为134.6～135.4mm，单边留边宽度为2.1～2.9mm，在其薄膜的单面上所蒸镀锌铝电极，其在留边上的蒸镀方阻为2～5Ω/□，其在留边以外的基条部分的蒸镀方阻为10～15Ω/□。
在本发明的金属化薄膜电容器中，所述的卷绕成薄膜电容器呈圆筒状，在该圆筒状的薄膜电容器的两端端部(即圆筒状的薄膜电容器的两端的圆圈部) 喷钯铋合金或者纯锌，厚度为0.4～0.6mm。其目的是将薄膜上镀的锌铝电极引出来，以便与外电极相连。
在本发明的金属化薄膜电容器中，所述的电容量为240±5％μF和比能密度达500J/L的高储能薄膜电容器，在100Hz条件下，其损耗角正切小于8×10-3、工作电压7000V、万次充放电电容损失量＜5％和放电电流达1380～1530A，放电时间约1～1.5ms的电容器。
本发明的制备金属化薄膜电容器方法的步骤如下：
步骤1：本发明采用的BOPP膜的厚度为7.5～7.8μm，膜宽度为134.6～135.4mm，单边留边宽度为2.1～2.9mm，单面蒸镀锌铝电极，蒸镀加强边方阻为2～5Ω/□，基条部分10～15Ω/□。该BOPP膜在100Hz的介电常数为2.2～2.4，击穿强度为525～580KV/mm，在100～10KHz范围内室温介电损耗在10-4～10-3量级。
步骤2：在卷绕机中对两卷单边留边的BOPP膜进行卷绕，其中两卷薄膜的留边部分放在不同侧。芯轴φ8mm～φ10mm，优选为φ9mm，卷绕1400～1420圈，优选为1410圈，单个卷绕电容直径φ52±2mm，单个卷绕电容容量90±2μF，质量约280克。采用Automatic LCR Meter测单个卷绕电容及介电损耗。
步骤3：单个卷绕电容端部喷金引出锌铝电极，采用两种端部电极材料，钯铋合金或者纯锌，厚度为0.4～0.6mm。
步骤4；为实现电容7000V耐压能力，通过电容串联分压，现设计3串8并(即每3个φ52mm×135mm的卷绕芯子串联，共8组，8组之间是并联)，满足240±5μF的电容量，质量约6.72Kg。则单个卷绕电容承受的电压约为2333V，一层BOPP膜，以击穿场强为500KV/mm来计算，可承受的电压为7.5μm×500KV/mm＝3750V＞2333V。采用石蜡做浸渍剂，使该介电材料渗透到电容器固体介质内的所有空隙，消除产品内的残余气体，提高产品局部放电能力。
步骤5；将24个单个卷绕电容进行组装到尺寸为长230mm、宽155mm、高327mm的容积内，然后封装成电容。对于φ52mm×135mm的单个卷绕芯子，该容积长度方向4个φ52mm×4＝208mm，高度方向6层φ52mm×6＝312mm，宽度方向1个135mm，即最多可放置24个。比能是针对整个电容器而言的，对于长230mm、宽155mm、高327mm的电容器，其比能为
步骤6：进行电容性能测试，包括万次充放电容量损耗、损耗角正切、在7000V下充电后的放电电流与放电时间等。
本发明的优点是：
本发明是一种高储能的金属化薄膜电容器。本发明采用双轴拉伸聚丙烯膜(BOPP)作为介质层，通过进行电容器的设计，获得了所需储能密度及电容特性的金属化薄膜电容器，即通过对BOPP膜的厚度、膜宽、电极留边宽度、单个卷绕电极的电容、端部电极材料、电容耐压能力设计及电容器的组装，制备了电容量为240±5％μF、比能密度达500J/L的高储能金属化薄膜电容器，在100Hz，损耗角正切小于8×10-3、工作电压7000V、万次充放电电容损失量＜5％、放电电流达1380～1530A，放电时间约1～1.5ms的电容器。
附图说明
图1为单面镀锌铝电极的BOPP膜的示意图。
图2为单面镀锌铝电极的BOPP膜的XRD图谱。
图3为本发明中的薄膜电容器的卷绕方式示意图。
图4和图5为端部喷纯锌电极时电容器在7000V下充电后的放电电流与放电时间的关系图。
具体实施方式
实施例
本实施例采用的BOPP膜的厚度为7.5～7.8μm，膜宽度为134.6～135.4mm，单边留边(没有蒸镀锌铝电极而留下的单边)宽度为2.1～2.9mm，单面蒸镀锌铝电极，蒸镀加强边方阻为2～5Ω/□，基条部分10～15Ω/□。图1所示为本发明采用的单面镀锌铝电极的BOPP膜的示意图，如图1所示，采用厚度为7.5～7.8μm的BOPP膜1，在BOPP膜1上单面镀厚度为几百 
的锌铝电极2。表1所示为用Angilent 4284A测试的单面镀锌铝电极的BOPP膜在不同频率下的介电常数及介电损耗，图2所示为所采用单面镀锌铝电极的BOPP膜的XRD图谱，表明其为晶态。
表1不同频率下单面镀锌铝电极的BOPP膜的介电常数及介电损耗
| 频率(Hz) | 介电常数 | 介电损耗 |
| 100 | 2.36 | 6.17×10-4 |
| 1K | 2.36 | 9.58×10-4 |
[0030]
| 10K | 2.36 | 2.73×10-3 |
在卷绕机中对两卷单边留边的BOPP膜进行卷绕，其中，如图3所示，将两卷BOPP膜1的蒸镀有锌铝电极2的一面都朝外，两卷膜的留边部分3放在不同侧。芯轴为φ9mm，卷绕为1410圈，单个卷绕电容直径φ52±2mm，单个卷绕电容容量90±2μF，质量约280克。采用Automatic LCR Meter测单个卷绕电容及介电损耗。
已卷绕的单个容量约90μF的电容，对其端部喷0.5mm厚的Zn，进行击穿场强及介电损耗测试。损耗小于2.4×10-3，加压到4300V尚有自愈声仍未完全击穿，则击穿场强大于4300V/7.5μm＝573KV/mm。
单个卷绕电容端部喷金引出锌铝电极，采用两种端部电极材料，钯铋合金或者纯锌，厚度为0.4～0.6mm。
表2和3分别为端部喷钯铋合金电极、纯锌电极时电容的万次充放电性能数据。可以看出，两种端部电极下，万次充放电后的电容量损失均小于1.5％，介电损耗均小于0.008，且端部喷纯锌电极电容的充放电性能较好一些。
表2端部喷钯铋合金电极时电容的万次充放电性能
| 充放电次数 | 电容容量 | 介电损耗 |
| 0 | 239.60 | 0.0054 |
| 455 | 238.60 | 0.0062 |
| 1595 | 236.10 | 0.0079 |
| 2142 | 236.10 | 0.0155 |
| 3294 | 236.00 | 0.0077 |
| 3827 | 236.00 | 0.0073 |
| 4959 | 236.20 | 0.0118 |
| 5500 | 236.10 | 0.0061 |
| 6647 | 236.10 | 0.0068 |
| 7185 | 236.10 | 0.0067 |
| 8347 | 236.20 | 0.0064 |
| 8857 | 236.10 | 0.0063 |
| 10001 | 236.00 | 0.0064 |
表3端部喷纯锌电极时电容的万次充放电性能
| 充放电次数 | 电容容量 | 介电损耗 |
| 0 | 240.6 | 0.0050 |
| 1722 | 240.6 | 0.0053 |
| 2023 | 240.5 | 0.0055 |
| 3190 | 240.4 | 0.0052 |
| 3692 | 240.5 | 0.0058 |
| 4861 | 240.5 | 0.0055 |
| 5376 | 240.5 | 0.0068 |
| 6527 | 240.5 | 0.0064 |
| 7037 | 240.4 | 0.0055 |
| 8200 | 240.4 | 0.0059 |
| 8606 | 240.4 | 0.0057 |
| 10000 | 240.0 | 0.0055 |
图4和图5所示为端部喷纯锌电极时电容器在7000V下充电后的放电电流与放电时间的关系图(示波器记录电容器放电波形信号)。横坐标代表放电时间，每一小格代表100μs；纵坐标代表电压，其中1V电压对应于750A的放电电流。可以看出，本发明中的电容在7000V下充电后，放电电流达1380～1530A，放电时间约1～1.5ms。
Claims (7)
1.一种金属化薄膜电容器，其特征在于：采用双向拉伸聚丙烯薄膜作为介质层，所述的薄膜的厚度为7.5～7.8μm，该薄膜的单面蒸镀锌铝电极，并在该面的宽度方向上的一边留边，留边以外的基条部分蒸镀有锌铝电极，将两卷上述薄膜的留边部分分别放在宽度方向上的不同的一侧上进行卷绕，卷绕成薄膜电容器。
2.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：所述的两卷薄膜上的蒸镀有锌铝电极的单面都朝一个方向：或两个蒸镀有锌铝电极的单面都朝外，或都朝里。
3.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：在所述的锌铝电极中，铝的含量为18～25wt.％，锌的含量为75～82wt.％。
4.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：所述薄膜电容器的卷绕芯轴的直径为φ8mm～φ10mm，卷绕圈数为1400～1420圈，单个薄膜卷绕电容器直径φ52±2mm，单个薄膜卷绕电容容量90±2μF。
5.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：所述的薄膜的宽度为134.6～135.4mm，单边留边宽度为2.1～2.9mm，其在留边上的蒸镀方阻为2～5Ω/□，其在留边以外的基条部分的蒸镀方阻为10～15Ω/□。
6.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：所述的卷绕成薄膜电容器呈圆筒状，在该圆筒状的薄膜电容器的两端端部喷钯铋合金或者纯锌，厚度为0.4～0.6mm。
7.根据权利要求1所述的金属化薄膜电容器，其特征在于：所述的电容量为240±5％μF和比能密度达500J/L的高储能薄膜电容器，在100Hz条件下，其损耗角正切小于8×10-3、工作电压7000V、万次充放电电容损失量＜5％和放电电流达1380～1530A，放电时间约1～1.5ms的电容器。
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