CN105977025B - 圆柱形外壳内的低型面多阳极组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在较高脉动电流下能有效散热的电容器组件。所述电容器组件包括多个电容器元件，所述电容器元件包括阳极体和引线，覆盖于所述阳极体上的介电层，还具有固态电解质。圆柱形金属外壳包括一个盖子和底部，所述的盖子在x方向上具有一直径，圆柱形金属外壳在z方向上具有一高度。圆柱形金属外壳定义了一个内部空腔，在内部空腔内，多个电容器元件围绕着z方向的中心轴排列。直径与底部高度的比值大约是1.5至大约20。进一步的，圆柱形金属外壳是密封的。
Description
相关申请
本申请要求美国申请14/657266的优先权，该美国申请的申请日为2015年3月13日，以上全文以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电解电容器领域，更具体地涉及圆柱形外壳内的低型面多阳极组件。
背景技术
电容器设计的许多特定方面一直在关注提高用于极端环境中电子电路的电容器的性能特征，比如汽车应用，包括，如防抱死制动系统、发动机系统、安全气囊、客舱娱乐系统等。固体电解电容器(如钽电容器)在电子电路的微型化方面一直是一个重要的贡献者，并使此类电路在极端环境的应用成为可能。传统的固体电解电容器通过将金属粉末(如钽)按压于金属导线的周围，烧结按压的部分，接着将烧结的阳极进行阳极化处理，然后涂覆固态电解质而形成电容器元件。在汽车应用中，电容器组件需要具有高的电容(例如，大约100微法拉至大约500微法拉)，在高电压下运作(例如大约50伏至大约150伏)，暴露于高温下(例如大约100℃至大约150℃)，和具有较高的脉动电流(大约10Amps至大约100Amps)，而不出现故障。因为将电容器元件放置于高的脉动电流下可使电容器元件内部温度升高，如果电容器元件得不到充分散热，电容器元件将会损坏，它的可靠性会降低。当将电容器元件并联以形成一个足够高电容的电容器组件时，这个问题将会加剧。同样地，已经采用多种方法尝试降低电容器组件(包含并联电容器元件)的等效串联电阻(ESR)，因为降低ESR与电容器组件的散热能力相关，该热量因电容器组件经历高脉动电流而产生。
然而，目前需要一种在高脉动电流环境下具有优良的ESR和散热能力，且在高温和高压下可稳定运行的电容器组件，尤其是包括并联的电容器元件的电容器组件。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种电容器组件。电容器组件包括多个电容器元件，每个电容器元件包括一烧结的多孔阳极体，覆盖于阳极体上的介电层和覆盖于介电层上的固态电解质。进一步的，每个电容器元件上伸出一阳极引线。此外，电容器组件包括一个含有盖子和底部的圆柱形金属外壳，其中所述的盖子在x方向上有一直径，在z方向上有一高度，所述的直径与高度的比值大约是1.5至大约20。此外，圆柱形金属外壳是密封的，并形成了一个内部空腔，多个电容器元件在内部空腔内围绕着z方向的中心轴排列。
本发明的其它特点和方面将在下文进行更详细的说明。
附图说明
参考所附附图，本发明的完整和实施公开，包括对于本领域技术人员而言的最佳实施例，将在本说明书的余下部分进行更具体的描述，其中：
图1是本发明的电容器组件的一个实施例的侧视图；
图2是电容器元件放置于外壳内之前的图1的电容器组件沿剖切线X处剖开的俯视图；
图3是本发明电容器组件的多个电容器元件中的一个电容器元件的透视图；
图4是使用于本发明电容器组件中的一对电容器元件的透视图；
图5是使用于本发明电容器组件中的多对电容器元件的径向部分的俯视图；
图6是电容器元件放置于外壳内之后的图1的电容器组件的一个实施例沿剖切线X处剖开的俯视图；
图7是本发明电容器组件的另一个实施例的俯视图；
图8也是本发明电容器组件的另一个实施例的俯视图；
图9还是本发明电容器组件的另一个实施例的俯视图；
图10是本发明电容器组件的一个实施例的盖子的透视图，其中盖子的至少一部分内表面镀上任选的密封材料；
图11是本发明电容器组件的一个实施例的底部的俯视图，其中采用一种任意的密封材料将电容器元件的至少一部分封装于外壳内。
在本发明说明书和附图中，重复使用参考符号用于表示本发明相同或类似的特点或元件。
具体实施方式
本领域技术人员因当了解，这里的讨论仅仅是本发明的示范性实施例的描述，并不是试图对本发明更广的保护范围进行限制，该更广的保护范围在示范性实施例中得到体现。
总体来说，本发明涉及一种低型面电容器组件，所述的低型面电容器组件包括一个圆柱形外壳，圆柱形外壳内有多个可在极端环境下使用的电容器元件，所述的电容器组件可以抵抗高达100Amps的脉动电流，经受高达100℃或更高的温度，使用于例如额定电压大约为50伏特或更高的高压环境。电容器组件是低型面的，在x方向的圆柱形金属外壳的盖子的直径与在z方向的圆柱形金属外壳的高度的比值大约是1.5至大约20，然而，电容器组件仍具有较高的散热效率。为了在上述条件下获得优异的性能，在本发明中，将控制电容器组件的各种方面，包括电容器元件的数量、电容器元件排列的方式、电容器元件并入电容器组件的方式、电容器元件形成的方式。例如，为了有助于减少电容器组件的ESR和提高当增大至总电容时的电容器组件的散热能力，将多个电容器元件在金属圆柱形外壳内围着z方向的中心轴排列。电容器元件除了以特定方式电连接和排列于外壳内，电容器元件也封闭和密封于圆柱形金属外壳内，这可以限制进入电容器元件固态电解质的氧气和水分的量。限制进入电容器元件固态电解质的氧气和水分的量有助于进一步减少电容器组件的ESR，从而提高电容器组件的散热能力。
下面将更为详细地说明本发明的各种实施例。
Ⅰ.电容器元件
A.阳极
每个电容器元件的阳极都是由阀金属粉末形成。阀金属粉末的比电荷是大约2000微法拉伏特每克(μF*V/g)至大约500000μF*V/g。正如本领域所熟知的，比电荷可以通过将电容乘以所使用的阳极化处理电压，然后，将此乘积除以阳极化处理电极体的重量确定。在某些实施例中，阀金属粉末具有高的比电荷，例如比电荷为70000μF*V/g或更高，在一些实施例中，比电荷为80000μF*V/g或更高，在一些实施例中，比电荷为90000μF*V/g或更高，在一些实施例中，比电荷为大约100000μF*V/g至大约400000μF*V/g，在一些实施例中，比电荷为大约150000μF*V/g至大约350000μF*V/g。当然，阀金属粉末也可以具有较低的比电荷，例如，比电荷为大约70000μF*V/g或更低，在一些实施例中，比电荷为大约60000μF*V/g或更低，在一些实施例中，比电荷为大约50000μF*V/g或更低，在一些实施例中，比电荷为大约2000μF*V/g至大约40000μF*V/g，在一些实施例中，比电荷为大约5000μF*V/g至大约35000μF*V/g。
阀金属粉末可以包括单个颗粒和/或这种颗粒的团聚体。形成粉末的混合物包括阀金属(即能够氧化的金属)或基于阀金属的化合物，如钽、铌、铝、铪、钛金属、它们的合金、它们的氧化物、它们的氮化物等。例如，阀金属复合物可以包含铌的导电氧化物，如铌氧原子比为1:1.0±1.0的铌的氧化物，在一些实施例中，铌氧原子比为1:1.0±0.3，在一些实施例中，铌氧原子比为1:1.0±0.1，在一些实施例中，铌氧原子比为1:1.0±0.05。例如，铌的氧化物可以是NbO0.7、NbO1.0、NbO1.1和NbO2。此类阀金属氧化物的实例，在Fife的专利号为6,322,912的美国专利、Fife等人的专利号为6,391,275的专利、Fife等人的专利号为6,416,730的专利、Fife的专利号为6,527,937的专利、Kimmel等人的专利号为6,576,099的专利、Fife等人的专利号为6,592,740的专利、Kimmel等人的专利号为6,639,787的专利和Kimmel等人的专利号为7,220,397的专利中有描述。同样的，此类阀金属氧化物的实例，在Schnitter的专利公布号为2005/0019581的美国专利、Schnitter等人的专利公布号为2005/0103638的专利、Thomas等人的专利公布号为2005/0013765的专利中也有描述。
该粉末可以采用本领域所熟知的技术形成。一种前体钽粉末，例如，可以采用还原剂(如氢气、钠、钾、镁、钙等)还原钽盐(如氟钽酸钾(K2TaF7)、氟钽酸钠(Na2TaF7)、氯化钽(TaCl5)等)形成。该粉末可采用各种方法团聚，如采用一步或多步热处理，温度为大约700℃至大约1400℃，在一些实施例中，温度为大约750℃至大约1200℃，在一些实施例中，温度为大约800℃至大约1100℃。热处理需要在惰性或还原性气氛中进行。热处理可以在含有氢气或能够释放氢气的复合物(如氯化铵、氢化钙、氢化镁等)的气氛中进行，以部分烧结粉末，减少杂质(如氟)的含量。如果需要，团聚可以在吸气材料存在的情况下进行，如镁。热处理后,高活性粗附聚物会由于空气的逐步进入而被钝化。其它合适的团聚技术在Rao的专利号为6,576,038的专利、Wolf等人的专利号为6,238,456的专利、Pathare等人的专利号为5,954,856的专利、Rerat的专利号为5,082,491的专利、Getz的专利号为4,555,268的专利、Albrecht等人的专利号为4,483,819的专利、Getz等人的专利号为4,441,927的专利、Bates等人的专利号为4,017,302的专利中有描述。
为了促进阳极体的形成，粉末中可以含有一定的组分。例如，粉末可以任选与粘合剂和/或润滑剂混合，以保证在压制成阳极体时各颗粒可以彼此充分地粘结在一起。合适的粘合剂包括，例如聚(乙烯醇缩丁醛)；聚(乙酸乙烯酯)；聚(乙烯醇)；聚(乙烯吡咯烷酮)；纤维素聚合物，如羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素和甲基羟乙基纤维素；无规聚丙烯，聚乙烯；聚乙二醇(如陶氏化学的Carbowax)；聚苯乙烯、聚(丁二烯/苯乙烯)；聚酰胺、聚酰亚胺和聚丙烯酰胺，高分子量聚醚；环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物；氟聚合物，如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和氟-烯烃共聚物；丙烯酸聚合物，如聚丙烯酸钠、聚(低烷基丙烯酸酯)、聚(低烷基甲基丙烯酸酯)及低烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的共聚物；脂肪酸和蜡，如硬脂酸及其它皂质脂肪酸、植物蜡、微晶蜡(精制石蜡)等。粘合剂可以在溶剂中溶解和分散。典型的溶剂包括水、醇等。当使用时，粘合剂和/或润滑剂的百分含量占总重量的质量分数为大约0.1％至大约8％。然而，应该理解的是，粘合剂和/或润滑剂并不是本发明必须需要的。
可以采用任何常规粉末压制设备将所得粉末压实而形成小球。例如，压模可采用包含一个模具及一个或多个模冲的单站式压力机。或者，还可采用仅使用单模具和单下模冲的砧型压模。单站压模有几种基本类型，例如，具有不同生产能力的凸轮压力机、肘杆式压力机/肘板压力机和偏心压力机/曲柄压力机，例如可以是单动、双动、浮动模压力机、可移动平板压力机、对置柱塞压力机、螺旋压力机、冲击式压力机、热压压力机、压印压力机或精整压力机。粉末可绕阳极引线(如钽线)周围压实。进一步的，在压实和/或烧结阳极体后，阳极引线可选择地连接(如焊接)于阳极体上。
压紧之后，可以将小球在真空下在某一温度(如从大约150℃至大约500℃)加热几分钟，脱除任何粘合剂/润滑剂。或者，也可将小球与水溶液接触以脱除粘合剂/润滑剂，正如Bishop等人专利号为6197252的美国中所描述的。然后，将所述小球烧结形成多孔的整块物质。例如，在真空或惰性气体的氛围内烧结小球，在一些实施例中，烧结小球的温度为大约1200℃至大约2000℃，在另一些实施例中，烧结小球的温度为大约1500℃至大约1800℃。烧结时，由于颗粒间的键能的增长，小球收缩。烧结后的小球的压制密度会发生变化，但通常为大约2.0克每立方厘米(g/cm3)至大约7.0克每立方厘米(g/cm3)，在一些实施例中,为大约2.5g/cm3至大约6.5g/cm3，在一些实施例中,为大约3.0g/cm3至大约6.0g/cm3。压制密度由材料的质量除以压制小球的体积而得。
尽管不需要，阳极体的厚度应以提高电容器的电气性能为准。例如，阳极的厚度为大约4毫米或更低，在一些实施例中,厚度为大约0.05毫米至大约2毫米，在一些实施例中,厚度为大约0.1毫米至大约1毫米。阳极的形状应以提高所得电容器的电气性能为准。例如，阳极的形状可以是曲线、正弦型、矩形、U型、V型等。阳极的形状也可以是含有一个或多个沟纹、凹槽、坑洼或缺口的沟槽型，以提高比表面积，从而将电容器的ESR最小化和延长电容器的频率响应。此种沟槽型的阳极，例如，在Webber等人的专利号为6,191,936的专利、Maeda等人的专利号为5,949,639的专利，Bourgault等人的专利号为3,345,545的专利中有描述，同时在Hahn等人的公布号为2005/0270725的专利中也有描述。
一个阳极引线连接于在纵向方向延伸的阳极体上。阳极引线可为线状或者薄片状等形式，可由由阀金属化合物组成，比如，钽、铌、铌氧化物等。可采用已知的方法实现引线的连接方式，比如，将引线焊接于阳极上，或在阳极体形成过程中(如压实和/或烧结之前)将引线嵌入阳极体内。
B.电介质
电介质覆盖或包住电容器组件内的每个电容器元件的阳极。电解质的形成，可将烧结的阳极进行阳极氧化(“阳极化”)，以在阳极上面和/或内部形成电介质层。例如，钽(Ta)阳极可以经阳极氧化为五氧化二钽(Ta2O5)。一般说来，阳极氧化首先是在阳极体上涂覆一种溶液，如将阳极体浸渍到电解质中。通常也使用溶剂，比如水(如去离子水)。为提高离子电导率，可以采用一种在溶剂中能够离解形成离子的化合物。此类化合物的实例包括，例如，酸，如下文电解质一节所述。例如，酸(如磷酸)占阳极氧化溶液的而质量分数为大约0.01wt.％至大约5wt.％，在一些实施例中，为大约0.05wt.％至大约0.8wt.％，在一些实施例中，为大约0.1wt.％至大约0.5wt.％。如果需要，也可以使用酸的混合物。
电流穿过阳极氧化溶液形成介电层。所形成的电压值决定介电层的厚度。例如，最初，将电源设定为恒电流模式，直到达到所需要的电压。此后，将电源转换成恒电势模式以确保所需要的介电层厚度形成于阳极体的整个表面。当然，也可以采用其它已知的方法，比如脉冲法或阶跃恒电位法。发生阳极氧化的电压通常为大约4V至大约400V，在一些实施例中，电压为大约9V至大约200V，在一些实施例中，大约为20V至大约150V。在氧化过程中，阳极氧化溶液可以保持在高温下，比如30℃或更高，在一些实施例中，温度是大约40℃至大约200℃，在一些实施例中，温度是大约50℃至大约100℃。阳极氧化也可以在室温下或更低的温度下发生。所得到的介电层会形成于阳极本体的表面或其孔内。
C.固态电解质
如上文所述，固态电解质覆盖在通常作为电容器阴极的电介质上。在一些实施例中，固态电解质可含有二氧化锰。如果固态电解质含有二氧化锰，二氧化锰固态电解质由硝酸锰(Mn(NO3)2)热分解而形成。例如，此类技术在Sturmer等人的专利号为4945452的美国专利中有描述，全文以引用的方式并入本文中。
在其它实施例中，固态电解质含有一种导电聚合物，该导电聚合物通常是π-共轭且氧化或还原后具有导电性，例如导电率至少为大约1μS/cm。此类π-共轭导电聚合物的实例包括，例如，聚杂环类(如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等)；聚乙炔；聚-对苯撑；聚苯酚盐等。在一些实施例中，例如聚合物为取代聚噻吩，其具有下述结构通式：
其中，
T是O或S；
D是任选取代的C1至C5烯烃基(例如，亚甲基、乙烯基、正-丙烯基、正丁烯基、正戊烯基等)；
R7是线性或支链的任选取代的C1至C18烷基(例如，甲基、乙基、正丙基或异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基、正戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、3-甲基丁基、1-乙基丙基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、2,2-二甲基丙基、正己基、正庚基、正辛基、2-乙基己基、正壬基、正癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十六烷基、正十八烷基等)；任选取代的C5至C12环烷基(如环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环壬基、环癸基等)；任选取代的C6至C14芳基(如苯基、萘基等)；任选取代的C7至C18芳烷基(如苄基，邻、间、对-甲苯基，2,3-、2,4-、2,5-、2,6、3,4-、3,5-二甲苯基，三甲苯基等)；任选取代的C1至C4羟烷基或羟基；及
q是0-8的整数，在一些实施例中，是0-2的整数，在一些实施例中，是0；及
n是2至5000，在一些实施例中，是4至2000，在一些实施例中，是5至1000。“D”或“R7”的取代基实例包括，例如，烷基、环烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、卤素、醚、硫醚、二硫化物、亚砜、砜、磺酸酯、氨基、醛、酮、羧酸酯、羧酸、碳酸酯、羧酸盐、氰基、烷基硅烷和烷氧基硅烷基、羧酰胺基等。
尤其适合的噻吩聚合物是那些其中“D”为任选取代的C2至C3烯烃基的噻吩聚合物。例如，聚合物可为具有下述结构通式的任选取代的聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)：
形成上文所述的导电聚合物的方法是本领域已知的。例如，Merker等人专利号为6987663的美国专利对由单体前体形成取代聚噻吩的各种方法进行了描述。例如，单体前体具有以下结构：
其中，
T、D、R7和q定义如上文所述。尤其适合的噻吩单体是那些其中“D”为任选取代的C2至C3烯烃基的噻吩单体。例如，可以使用具有下述通用结构式的任选取代3,4-烯烃二氧噻吩：
式中R7和q定义如上文所述。在一个具体实施例中，“q”为0。一种商业上合适的3,4-乙烯基二氧噻吩的实例是Heraeus Clevios以CleviosTM M名称销售的产品。Blohm等人专利号为5111327的美国专利和Groenendaal等人专利号为6635729的美国专利还描述了其它合适的单体。也可以采用这些单体的衍生物，例如上述单体的二聚体或三聚体。分子量更高的衍生物，如单体的四聚体、五聚体等也适合用于本发明。衍生物可以由相同的或不同的单体单元构成，可以以纯态形式使用及以与另一种衍生物和/或单体的混合物的形式使用。还可以采用这些单体前体的氧化形式或还原形式。
可以采用各种方法形成导电聚合物层。例如，原位聚合层可在氧化催化剂的存在下，由单体的化学聚合反应形成。氧化催化剂通常包括过渡金属阳离子，如铁(III)、铜(II)、铬(VI)、铈(IV)、锰(IV)、锰(VII)、钌(III)阳离子等。为了给导电聚合物提供大量的电子和稳定聚合物的导电性，可使用掺杂剂。掺杂剂通常包括有机或无机阴离子，如磺酸离子。在某些实施例中，氧化催化剂兼具有催化作用和掺杂作用，因为它包括阳离子(如过渡金属)和阴离子(如磺酸)。例如，氧化催化剂可以是过渡金属盐，包括铁(III)离子，如卤化铁(III)(如FeCl3)或其它无机酸的铁(III)盐，如Fe(ClO4)3或Fe2(SO4)3和有机酸铁(III)盐和含有有机自由基的无机酸的铁(III)盐。含有有机基团的无机酸的铁(III)盐实例包括，例如，C1至C20烷醇的硫酸单酯铁(III)盐(如月桂基硫酸铁(III)盐)。同样的，有机酸的铁(III)盐的例子包括，例如，C1至C20烷基磺酸铁(III)盐(如甲烷磺酸、乙烷磺酸、丙烷磺酸、丁烷磺酸或十二烷基磺酸)；脂肪族全氟磺酸铁(III)盐(如三氟甲烷磺酸，全氟丁烷磺酸或全氟辛烷磺酸)；脂肪族C1至C20羧酸铁(III)盐(如2-乙基己基羧酸)；脂肪族全氟羧酸铁(III)盐(如三氟乙酸或全氟辛酸)；任选的被C1至C20烷基取代的芳香族磺酸铁(III)盐(如苯磺酸、邻-甲苯磺酸、对-甲苯磺酸或十二烷基苯磺酸)；环烷烃磺酸铁(III)盐(如樟脑磺酸)等等。也可以使用上文所提到的铁(III)盐的混合物。对-甲苯磺酸铁(III)和邻-甲苯磺酸铁(III)以及它们的混合物尤为合适。商业上适用的对-甲苯磺酸铁(III)盐是HeraeusClevios以CleviosTM C名称销售的产品。
氧化催化剂和单体可以依次使用或共同使用以引发聚合反应。应用这些组件的适用涂覆技术包括丝网印刷、浸渍、电泳涂覆、喷涂。例如，单体最初可以与氧化催化剂混合，以形成前体溶液。混合物一旦形成，可将其涂覆于阳极部件，让其聚合，以使导电涂层形成于外表面上。或者，氧化催化剂和单体可顺序涂覆。在一些实施例中，例如，将氧化催化剂溶解于有机溶液中(如丁醇)，以浸渍溶液的形式涂覆，将阳极部件干燥，以脱除溶剂。此后，将阳极部件浸入含有单体的溶液中。不管怎样，聚合反应发生的温度通常为大约-10℃至大约250℃，在一些实施例中，温度为大约0℃至大约200℃，这取决于所使用的氧化剂和所需要的反应时间。如上文所述的合适的聚合反应方法，在Biler的专利号为7515396的美国专利中有更详细的描述。应用这种导电涂层的其他方法，在Sakata等人的专利号为5457862、5473503、5729428的美国专利和Kudoh等人的专利号为5812367的美国专利中有描述。
除了原位涂覆,导电聚合物固态电解质也可以以导电聚合物粒子的分散系形式涂覆。采用分散系的一个好处是，它可以将原位聚合过程中产生的离子种类(如Fe2+或Fe3+)最少化，在高电场下，由于离子迁移，这些离子会引起电介质击穿。因此，采用分散系涂覆导电聚合物与原位聚合涂覆相比，所得的电容器会具有相对较高的击穿电压。为使阳极获得优良的浸渍效果，应用于分散系中的粒子通常有微小的尺寸，例如平均尺寸(如直径)大约为1纳米至大约150纳米，在一些实施例中，大约为2纳米至大约50纳米，在一些实施例中，大约为5纳米至40纳米。颗粒的直径可采用已知的方法来测定，如超速离心、激光衍射等。颗粒的形状同样也可以是多样化的。在一些具体的实施例中，例如，颗粒的形状为球形。然而，应该理解为，本发明也适用于其他形状，如板状、棒状、盘状、条状、管状、不规则形状等。分散系中的粒子的浓度的变化取决于分散系所需要的粘度和电容器所使用的分散系的特定方式。通常来说，颗粒占分散系的质量分数大约为0.1wt.％至大约10wt.％，在一些实施例中，大约为0.4wt.％至大约5wt.％，在一些实施例中，大约为0.5wt.％至大约4wt.％。
分散系通常也包含一种可提高粒子稳定性的平衡离子。就是说，导电聚合物(如聚噻吩或它的衍生物)高分子主链上的电荷通常是中性或正电荷(阳离子的)的。例如，聚噻吩衍生物的高分子主链上通常带有一个正电荷。在某些情况下,聚合物的结构单元可能具有正电荷和负电荷，正电荷位于主链上并且负电荷任选位于“R”基团取代基上，如磺酸基和羧基。主链上的正电荷可以被R基任选存在的阴离子基团部分中和或完全中和。综上所述，在这种情况下，聚噻吩可能为阳性、中性或甚至为阴性。然而，聚噻吩均被认为是阳离子型聚噻吩，因为聚噻吩的高分子主链上有一个正电荷。
平衡离子是可以中和导电聚合物上的电荷的单体阴离子或聚合阴离子。例如，聚合阴离子可是聚羧酸的阴离子(如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸等)、聚磺酸(如苯乙烯磺酸(PSS)、聚乙烯基磺酸等)等。酸也可以是共聚物,如乙烯基羧酸和含有其它可聚合单体的乙烯基磺酸的共聚物，如丙烯酸酯和苯乙烯。同样的，合适的单体阴离子包括，如C1至C20烷基磺酸(如十二烷磺酸)阴离子；脂肪族全氟磺酸(如三氟甲烷磺酸、全氟丁烷磺酸、全氟辛烷磺酸)阴离子；脂肪族C1至C20羧酸(如2-乙基-己基羧酸)阴离子；脂肪族全氟羧酸(如三氟乙酸或全氟辛酸)阴离子；任选的被C1至C20烷基取代的芳香族磺酸(如苯磺酸、邻-甲苯磺酸、对-甲苯磺酸或十二烷基苯磺酸)阴离子；环烷烃磺酸(如樟脑磺酸、四氟硼酸盐、六氟磷酸盐、高氯酸盐、六氟锑酸盐、六氟砷酸盐或六氯锑酸盐)阴离子等。尤为合适的平衡离子是聚合阴离子，比如，聚羧酸或聚磺酸(如聚苯乙烯磺酸(“PSS”))。这些聚合阴离子的分子质量通常为大约1000至大约2000000，在一些实施例中，大约为2000至大约500000。
使用时,这种平衡离子与分散系中和所得涂层中的导电聚合物的质量比通常大约为0.5:1至大约50:1，在一些实施例中，大约为1:1至大约30:1，在一些实施例中，大约为2:1至20:1。假设聚合反应过程中发生了一个完全的转换，上文重量比中所提到的导电聚合物的重量指的是所使用的部分单体的重量。除了导电聚合物和平衡离子之外，分散系也包含一种或多种粘结剂、分散剂、填充剂、粘合剂、交联剂等。
聚合分散系可以采用各种已知的技术涂覆，比如旋转涂覆、浸注、浇注、滴加、注射、喷涂、刮片、刷涂、印刷(如喷墨印刷、丝网印刷、移印)或浸涂。尽管分散系的粘度变化取决于所采用的涂覆的技术，分散系的粘度通常大约为0.1mPas至大约100000mPas(在剪切率为100s-1时测定)，在一些实施例中，大约为1mPas至大约10000mPas，在一些实施例中，大约为10mPas至大约1500mPas，在一些实施例中，大约为100mPas至大约1000mPas。一旦涂覆完成，即可对该层进行干燥或洗涤。一个或多个附加介电层也会以这样方式形成，以获得所需要的厚度。通常，在这种颗粒分散系下形成的介电层的总厚度大约为1μm至大约50μm,在一些实施例中，大约为5μm至20μm。平衡离子与导电聚合物的质量比同样大约为0.5:1至大约50:1，在一些实施例中,大约为1:1至大约30:1，在一些实施例中,大约为2:1至大约20:1。
若需要，固态电解质也包括一种羟基非离子聚合物。术语“羟基”通常指至少含有一个羟基官能团或在溶剂存在时能够有此类官能团的化合物。不希望受到理论的限制，人们认为羟基非离子聚合物可以提高导电聚合物和内部电介质表面的接触程度，由于形成电压更高，内部介质表面通常本质上相对平滑。这出乎意料地提高了所得电容器的击穿电压和湿-干电容。此外，一般认为，使用具有一定分子质量的羟基聚合物也可以最大程度地降低高压下化学分解的可能性。例如，羟基聚合物的分子质量大约为100克每摩尔(g/mol)至10000g/mol，在一些实施例中，大约为200g/mol至2000g/mol，在一些实施例中，大约为300g/mol至大约1200g/mol，在一些实施例中，大约为400g/mol至大约800g/mol。
任何种类的羟基非离子聚合物通常都可以用于此目的。在一些实施例中，例如，羟基聚合物为聚烯烃基醚。聚烯烃基醚包括聚烯烃基乙二醇(如聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇、聚环氧氯丙烷等)，聚氧杂环丁烷、聚苯醚、聚醚酮等。聚烯烃基醚通常主要是线性的，含末端羟基的非离子聚合物。通常适用的为聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇(聚四氢呋喃)，由环氧乙烷、环氧丙烯、四氢呋喃在水中经加聚反应而得。聚烯烃基醚由二醇或多元醇经缩聚作用而得。二醇组分可选择，特别是，饱和或不饱和,有支链或无支链，包含5到36个碳原子的脂肪族二羟基化合物或芳香族二羟基化合物，比如，戊基-1,5-二醇、己基-1,6-二醇、新戊二醇、双(羟甲基)环己烷、双酚A、二聚体二醇、氢化二聚二醇或所述的二醇的混合物。另外，聚合反应通常采用多元醇，包括，如丙三醇、二聚丙三醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇或山梨醇。
除了上文所提及的这些，其它羟基非离子聚合物也适用于本发明。这类聚合物的一些实例包括，例如，乙氧基烷基酚、乙氧基或丙氧基C6至C24脂肪醇，通式为CH3-(CH2)10-16-(O-C2H4)1-25-OH的聚乙二醇烷基醚(如八乙二醇十二烷基单醚和五甘醇单十二烷基醚)，通式为CH3-(CH2)10-16-(O-C3H6)1-25-OH的聚氧化亚丙基二醇烷基醚。通式为C8H17-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚乙二醇辛基酚醚(如TritonTM X-100)，通式为C9H19-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚乙二醇烷基酚醚(如壬苯醇醚-9)，C8至C24脂肪酸的聚乙二醇酯，如聚乙二醇山梨醇酐烃基酯(如聚氧乙烯(20)山梨醇酐月桂酸酯，聚氧乙烯(20)山梨醇酐单棕榈酸酯，聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单油酸酯，PEG-20甲基葡萄糖二硬脂酸酯、PEG-20甲基葡萄糖倍半硬脂酸酯、PEG-80蓖麻油，PEG-20蓖麻油、PEG-3蓖麻油、PEG-600二油酸酯、PEG-400二油酸酯)，和聚氧乙烯丙三醇烃基酯(如聚氧乙烯-23甘油月桂酸酯和聚氧乙烯-20甘油硬脂酸酯)；C8-C24脂肪酸的聚乙二醇醚(如聚氧乙烯-10-十六烷基醚、聚氧乙烯-10-十八烷基醚、聚氧乙烯-20-十六烷基醚、聚氧乙烯-10-油烯基醚、聚氧乙烯-20-油烯基醚、聚氧乙烯-20-异十六烷基醚、聚氧乙烯-15-十三烷基醚、聚氧乙烯-6-十三烷基醚)；聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物(如，Poloxamers)等等，也可以是它们的混合物。
羟基非离子聚合物可以以各种不同的途径嵌入固态电解质。在一些实施例中，比如，非离子聚合物可以简易地嵌入通过上文所述的方法(如原位聚合或预聚合颗粒分散系)所形成的任何导电聚合物层。然而，在其它实施例中，非离子聚合物可涂覆于最初形成的聚合物层上。
D.外部的聚合物涂层
尽管不做要求，外部聚合物涂层可以涂覆于阳极和覆盖电容器组件内的每个电容器元件的固态电解质。如上文所详细描述的，外部聚合物涂层通常包括一个或多个由预聚合导电粒子分散系形成的层。外部涂层可以进一步渗透进入电容器本体的边缘部分，以提高与电解质的粘附性，从而得到更多的机械稳定性更强的部件，降低等效串联电阻和泄漏电流。如果需要，可在外部聚合物涂层中添加交联剂，以提高与固态电解质的粘合度。通常,交联剂在涂覆用于外部涂层的分散体之前涂覆。例如，适合的交联剂在Merker等人的公开号为2007/0064376的美国专利中有描述。合适的交联剂包括，如胺类(二胺、三胺、低聚胺、多胺等)；多价金属阳离子，如Mg、Al、Ca、Fe、Cr、Mn、Ba、Ti、Co、Ni、Cu、Ru、Ce或Zn的盐类或者化合物、磷化合物、硫化合物等。
E.电容器元件的其它部件
如果需要，电容器元件也可以包含本领域中所熟知的其它层。例如，可任选在电介质和固态电解质之间涂覆一层保护涂层，该涂层由相对绝缘的树脂材料(天然的或合成的)制成，如虫胶树脂。此类和其它的保护涂层材料在Fife等人的专利号为6,674,635的美国专利有更详细的描述。如果需要，部件还可以分别涂覆一碳层(如石墨)和银层。例如，银层作为电容器的可焊接导体、接触层和/或电荷收集器，碳层可以限制银层与固态电解质接触。这类涂层可以覆盖部分或整个固态电解质。
不管形成多个电容器元件中的每一个元件所使用的各种部件如何，如图3所示。每个电容器元件20具有一个在x方向上的长度LA，LA变化范围为大约0.5毫米至大约5毫米，比如，大约1.25毫米至大约4毫米，比如，大约1.5毫米至大约3毫米；具有一个在y方向上的宽度WA，WA变化范围为大约2毫米至大约10毫米，比如，大约2.5毫米至大约8毫米，比如，大约3毫米至大约6毫米；还具有一个在z方向上的高度HA，HA变化范围为大约2毫米至大约10毫米，比如，大约2.5毫米至大约8毫米，比如，大约3毫米至大约6毫米。进一步的，每个电容器元件20可以包括相对的主要表面23a和23b，第一相对次要表面25a和25b，和第二相对次要表面27a和27b。术语“主要表面”是指电容器元件20中，具有比其它表面(如次要表面)的面积大的那个表面。如图所示，阳极引线6可以从第二相对次要表面27b中的一处伸出，尽管如此，应该可以理解到，阳极引线6可以从其它的表面伸出，这取决于电容器元件20在外壳内的排列方式。
Ⅱ.外壳
如上文所示，多个电容器元件密封于圆柱形金属外壳内以形成本发明的电容器组件。密封于圆柱形金属外壳内的电容器元件的数量是2至大约50，在一些实施例中，电容器元件的数量是3至大约25，在一些实施例中，电容器元件的数量是4至大约20。在一些实施例中，密封在包括至少一种惰性气体的气态氛围中发生，以抑制固态电解质在使用过程中的氧化。惰性气体包括，例如，氮气、氦气、氩气、氙气、氖气、氪气、氡气等，也可以是它们的混合物。通常，外壳内大部分的气体为惰性气体，如惰性气体占总气体的质量分数大约为50wt.％至大约100wt.％，在一些实施例中，大约为75wt.％至100wt.％，在一些实施例中，大约为90wt.％至大约99wt.％。如果需要，也可以使用相对少量的非惰性气体，如二氧化碳、氧气、水蒸气等。然而，在这种情况下，非惰性气体占外壳内气体的质量分数通常为15wt.％或更少，在一些实施例中，10wt.％或更少，在一些实施例中，大约为5wt.％或更少，在一些实施例中，大约为1wt.％或更少，在一些实施例中，大约为0.01wt.％至大约1wt.％。例如，水分含量(按相对湿度计)大约为10％或更少，在一些实施例中，大约为5％或更少，在一些实施例中，大约为1％或更少，在一些实施例中，大约为0.01％至大约5％。
可采用各种不同的材料形成外壳以提高电容器组件高效散热的能力。在一些实施例中，例如，外壳包括一层或多层金属，如钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(如不锈钢)、它们的合金(如导电氧化物)，它们的复合物(导电氧化物的金属涂层)等。
不管采用哪种金属制成外壳，外壳(包括盖子和底部)的总厚度或高度通常以低型面电容器组件的厚度或高度最小化为选择标准。例如，参阅图1，外壳在z方向上的总高度HH的变化范围是大约3毫米至大约30毫米，比如，大约3.5毫米至大约20毫米，比如，大约4.5毫米至大约15毫米。具体的，底部123在z方向上的高度的变化范围是大约0.25毫米至大约5毫米，比如，大约0.5毫米至大约4.5毫米，比如，大约1毫米至大约4毫米；然而，盖子125在z方向上的高度的变化范围是大约2.5毫米至大约25毫米，比如，大约3毫米至大约15毫米，比如，大约3.5毫米至大约10毫米。同时，圆柱形金属外壳的盖子在x方向上的直径DL的变化范围是大约5毫米至大约60毫米，比如，大约10毫米至大约50毫米，比如，大约15毫米至大约40毫米。进一步的，参考图2，在它的最长部分，在y方向上的圆柱形金属外壳的底部123的长度LB的变化范围是大约10毫米至大约70毫米，比如，大约15毫米至大约60毫米，比如，大约20毫米至大约50毫米。另外，在它的最宽部分，在y方向上的圆柱形金属外壳的底部123的宽度WB的变化范围是大约6毫米至大约65毫米，比如，大约12毫米至大约60毫米，比如，大约20毫米至大约50毫米。此外，外壳具有低型面，在x方向上的外壳盖子的直径DL与在z方向上的外壳(包括外壳和底部)的总高度HH的比值最小为约1.5。例如，直径DL和高度HH的比值的变化范围是大约1.5至大约20，比如大约1.6至大约15，比如大约1.7至大约10。
可采用各种不同的技术将多个电容器元件以不同的结构连接于外壳上。虽然不是必需的，电容器元件可以以阳极和阴极端子形成于外壳外且随后集成一个电路的方式连接于外壳上。端子的详细结构取决于预期的用途。在一些实施例中，例如，电容器组件经加工成形，使其表面可安装的，但仍然具有机械强度。例如，电容器元件的阳极引线和阴极可以与外部，表面可贴装的终端(如插脚、衬垫、板片、平板、框架等)电连接。这种端子可以贯穿外壳与电容器元件连接，比如通过导线连接、胶带连接、导电仪等。在另一些实施例中，电容器元件的阴极可连接于它自己的外壳，如通过焊接、导电胶等。这时，外壳作为阴极端子，而电容器元件的阳极引线与外部，表面可贴装的终端(如插脚、衬垫、板片、平板、框架等)电连接，这种端子可以贯穿整个外壳通过导线连接与阳极引线连接。
使用时，外部阳极和阴极端子的厚度或高度通常以电容器组件的厚度最小化为选择。例如，端子的厚度的变化范围大约为0.05mm至大约1mm，比如，大约为0.05mm至大约0.5mm，比如，大约为0.1mm至大约0.2mm。如果需要,端子的表面可以镀上本领域所熟知的材料，如镍、银、金、锡、钴等或它们的合金，以确保最终部件可贴装于电路板上。在一些具体的实施例中，端子分别镀上镍和亮银，可贴装的表面也镀上了锡焊层。在另一些实施例中，在端子基底金属层(如铜合金层)上镀上薄的外金属层(如金层)，以进一步提高电导率。
参考图1-图6，例如，图示了一个详细实施例的电容器组件100的各种部件。电容器组件100包括10个放置于外壳内并围着z方向中心轴C排列的电容器元件。然而，应该理解的是，可以采用任何数量的电容器元件。如图1-图2所示，电容器组件100的外壳包括底部123和盖子125，在底部123和盖子125间形成空腔526。底部123和盖子125可以由一层或多层金属制成。盖子125为圆柱形，然而底部的轮廓通常为圆柱形，虽然其尺寸可逐渐变小从而使其具有如钻石形状，细长形(oblong)、椭圆形，从而具有足够的空间在底部123的渐变部分形成贴装孔129和固定孔131，可以采用贴装孔129和贴装孔131将电容器组件100连接至基板，如电路板。被绝缘材料139围绕的阳极端子135可以贯穿底部123的下表面141与电容器元件20的阳极引线6电连接，这在下文有更详细的讨论。同时，底部123可以作为阴极端子，绝缘材料139(如TEFLON垫圈)阻止了底部123和阳极端子135间的接触，然而，应当理解的是，本领域中所熟知的任何合适的阳极和阴极端子均适用于本发明。
参阅图5-图6，电容器元件20在空腔526内围绕着z方向的中心轴C排列，这种布局有助于降低电容器组件100的ESR，降低ESR有助于提高电容器组件100的散热效率。尽管不需要，电容器元件20(参阅图3)可以成对的排列，每一对电容器元件21排列在空腔526内的中心轴C的周围。如图4所示，两个电容器元件20a和20b排成一对21，第一电容器元件20a的主要表面23a可以置于第二电容器元件20b的主要表面23b的旁边。进一步的，第一电容器元件20a的阳极引线6a和第二电容器元件20b的阳极引线6b可以通过导电构件8连接。导电构件8可具有多个贴装区域(图中未示出)，该贴装区域连接至阳极引线6a和6b。该区域为U型以进一步加强引线6a和6b的表面接触和机械稳定性。
参阅图5-图6，其更详细地描述了5对电容器元件21a至21e(总共为10个电容器元件21a至21j)构成电容器元件模块33的布局方式。如图所示，5对电容器元件21a至21e呈放射型围绕在z方向的中心轴C的周围，这种排列形式和间隔提高了电容器组件散热的能力。同时，如图所示，每对电容器元件21a至21e的导电构件8a至8e通过连接件35相连接。在一些实施例中，连接件35可通过将导电构件8a至8e焊接在一块而形成，尽管如此，其它合适的连接阳极引线6a至6j的方法也适用于本发明。一旦将电容器元件模块33按图5所示方式安装，可以将模块33放置于图6所示的电容器组件100的金属底部123上。每个电容器元件20a至20j(如图3-图4所示的主要表面25b)的表面可以通过任何适合的方法连接于金属底部123上，比如焊接、导电粘合剂等。每个电容器元件20a至20j和金属底部123之间可以采用电气连接，将金属底部视为阴极端子。然而，应当理解的是，可以采用一个分开的外部阴极端子作为金属底部123的单独部分。同时，连接导电构件8a-8e的连接件35可以通过额外的连接件37与阳极端子135电连接，此类导电构件可以是金属丝或胶带。在一些实施例中，连接件可以是铜带。阳极端子135可以贯穿金属底部123的下表面141，以连接至基板或电路板。
如上文所描述的，应该理解的是，通常可以采用各种已知的技术实现电容器元件20a至20j与外壳基板123间的连接，如电阻焊接、激光焊接、导电粘合剂等。使用时，导电粘合剂可以由含有树脂组分的导电金属颗粒制成。金属颗粒可以是银、铜、金、铂、镍、锌、铋等。树脂组分可以包括热固性树脂(如环氧树脂)、固化剂(如酸酐)和偶联剂(如硅烷偶联剂)。合适的导电粘合剂在Osako等人的专利公开号为2006/0038304的美国专利有描述。
在图5-图6所示的实施例中，电容器组件100包括10个电容器元件。然而，如上文所示，通常，任何数量的电容器元件均适用于本发明，比如2至大约50，在一些实施例中，是3至大约25，在一些实施例中，是4至大约20。进一步的，如图所示，尽管电容器元件20a至20j以成对的方式21a至21e连接于外壳内，它们的阳极引线通过导电构件连接在一块，这不是必须的，如图7-图9所示，这将在下文进行更详细的讨论。
图7阐述了本发明实现的另一个实施例，电容器组件200包括2个电容器元件20a和20b，电容器元件20a和20b排列在中心轴C的周围，阳极引线6a和6b在中心轴C上彼此相对且通过连接件37与阳极端子135相连，连接件可以为任何合适的连接件，如导电构件，其为金属丝或胶带。在一个实施例中，连接件37是铜带。如图中所示，尽管，阳极引线6a和6b平行于x方向且通常垂直于连接件37，但这不是必须的。应该理解的是，电容器元件20a和20b可以排列在中心轴C周围的任何位置。
图8也阐述了本发明实现的另一个实施例，电容器组件300包括3个电容器元件20a、20b和20c，电容器元件20a、20b和20c排列在中心轴C的周围，阳极引线6a、6b和6c在中心轴C上彼此相对且通过连接件35(如焊料)相连接，连接件35接着通过连接件37与阳极端子135相连，连接件可以为任何合适的连接件，如导电构件，其为金属丝或胶带。在一个实施例中，连接件37是铜带。如图中所示，尽管，阳极引线6a平行于y方向且通常垂直于阳极引线6b和6c，阳极引线6b和6c平行于x方向且通常垂直于连接件37，但这不是必须的。应该理解的是，电容器元件20a、20b和20c可以排列在中心轴C周围的任何位置。
图9也阐述了本发明实现的另一个实施例，电容器组件400包括4个电容器元件20a、20b、20c和20d，电容器元件20a、20b、20c和20d排列在中心轴C的周围，阳极引线6a、6b、6c和6d在中心轴C上彼此相对且通过连接件35(如焊料)相连接，连接件35接着通过连接件37与阳极端子135相连，连接件可以为任何合适的连接件，如导电构件，其为金属丝或胶带。在一个实施例中，连接件37是铜带。如图中所示，尽管，阳极引线6a和6c平行于y方向且通常垂直于阳极引线6b和6d，阳极引线6b和6d平行于x方向，且通常垂直于连接件37，但这不是必须的。应该理解的是，电容器元件20a、20b、20c和20d可以排列在中心轴C周围的任何位置。
如上文所讨论的，将电容器元件20连接至底部123之后，可以在电容器元件20上镀上树脂或密封材料。进一步的，也可以在盖子125镀上树脂或密封材料。在一个具体的实施例中，密封材料可以是导热材料。参阅图10，例如，可以将盖子125的至少一部分内表面145镀上密封材料143，镀上之后，密封材料143将会固化。在盖子125的至少一部分内表面145的密封材料143后，可以提高本发明的电容器组件的散热能力。同时，参阅图11，将电容器元件连接至电容器组件100的底部123之后，将密封材料143镀在电容器元件(图中未示出)的周围，电容器元件至少部分被封装上了密封材料143，封装之后，密封材料143将会固化。进一步的，在一些实施例中，可以采用密封材料143将电容器元件完全封装。采用密封材料143以这样的方式完全封装电容器元件可以进一步提高本发明电容器组件的散热能力。
如上文所述，密封材料可以是导热材料。例如，导热材料通常具有的热导率是大约1W/m-K或更高，在一些实施例中，是大约2W/m-K至大约20W/m-K,在一些实施例中，是大约2.5W/m-K至大约10W/m-K,符合ISO 22007-2:2014的规定。尽管密封材料具有热导率，但通常不具有导电性，因此具有相对高的体积电阻率，比如大约1×1012ohm-cm或更高，在一些实施例中，大约为1×1013ohm-cm或更高，在一些实施例中，大约为1×1014ohm-cm至大约1×1020ohm-cm，符合ASTM D257-14的规定。通过较高的热导率和较低的导电率的结合，本发明的发明人发现，当将密封材料涂覆于电容器组件的外壳上时，密封材料具有诸多优点。例如，将电容器组件放置于高脉动电流下时，导热密封材料可以作为传热槽，将热量散发至外壳表面，从而增加电容器的冷却效率和使用寿命。密封材料也具有较低的吸湿性能，比如1％或更低，在一些实施例中，为大约0.5％或更低，在一些实施例中，为大约0.1％或更低，这符合ASTM D570-98(2010)e-1的规定。如此，密封材料可以抑制与进入外壳内的水发生的不必要的降解反应。
为有助于取得所需要的性能，密封材料含有一层或多层分散在聚合物基体中的导热填料。合适的导热填充材料包括，金属填料，比如铝、银、铜、镍、铁、钴等，也可以是它们的组合物(如银镀铜或银镀镍)；金属氧化物，如氧化铝、氧化锌、氧化镁等，也可以是它们的组合物；氮化物，如氮化铝、氮化硼、氮化硅等，也可以是它们的组合物；炭填料，如碳化硅、炭黑、富勒烯、石墨薄片、碳纳米管、碳纳米纤维等，也可以是它们的组合物。铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼和/或碳化硅粉末尤为适合本发明。如果需要，可以在填料上镀上功能涂层，以提高填料和聚合物基体的亲和力。例如，这类涂层包括一种饱和或不饱和脂肪酸，如链烷酸、链烯酸、丙酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸等；有机硅烷、有机钛酸盐、有机锆酸盐、异氰酸盐、具有羟基末端的烯烃或烷烃等。
在本发明中，要选择性的控制导热填料的尺寸，以获得所需要的性能。一般来说，这类填料的平均尺寸(如直径)大约是10纳米至大约75微米，在一些实施例中，大约是15纳米至大约50微米，在一些实施例中，大约是20纳米至大约40微米。在一些实施例中，填料尺寸为纳米级，例如，大约是10纳米至大约500纳米，在一些实施例中，大约是20纳米至大约350纳米，在一些实施例中，大约是50纳米至大约200纳米，然而，在其它实施例中，填料尺寸为微米级，例如，大约是1微米至大约50微米，在一些实施例中，大约是2微米至大约30微米，在一些实施例中，大约是5微米至大约15微米。密封材料可以使用纳米级导热填料和微米级导热填料的混合物。在这类实施例中，微米级填料与纳米级填料的比例相对比较大，以获得较高的填充密度，例如，微米级填料与纳米级填料的比例大约是50:1或更大，在一些实施例中，微米级填料与纳米级填料的比例大约是70:1至大约150:1。
可以将各种不同的聚合树脂添加于密封材料的基质中，可固化的热固性树脂尤为适合本发明。此类树脂的实例包括，例如，硅酮聚合物、双酚A缩水甘油醚聚合物、丙烯酸盐聚合物、氨基甲酸酯聚合物等。在某些实施例中，例如，可以密封材料可采用一种或多种聚硅氧烷。这些聚合物中的含硅有机基团可能含有一价羟基团与/或一价卤代烃基团。此类一价基团通常有1至大约20个碳原子，优选为1至10个碳原子，举例如下，但不受限于这些示例基团的限制，烷基(如甲基、乙基、丙基、戊基、辛基、十一烷基和十八烷基)；环烷基(如环己基)；烯基(如乙烯基、烯丙基、丁烯基和己烯基)；芳基(如苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基和2-苯乙基)和卤代烃基团(如3,3,3-三氟丙基、3-氯丙基和二氯苯基)。通常，有机基团中，至少50％的基团或更佳的为至少80％的基团是甲基。此类甲基聚硅氧烷的实例包括，例如，聚二甲硅氧烷(“PDMS”)、聚甲基氢硅氧烷等。其它合适的聚甲基硅氧烷包括二甲基二苯基聚硅氧烷、二甲基/甲基苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、甲基苯基/二甲基硅氧烷、乙烯基二甲基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基甲基/二甲基聚硅氧烷、乙烯基二甲基封端的乙烯基甲基/二甲基聚硅氧烷、二乙烯基甲基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基苯基甲基封端的聚二甲基硅氧烷、二甲基氢封端的聚二甲基硅氧烷、甲基氢/二甲基聚硅氧烷、甲基氢封端的甲基辛基聚硅氧烷、甲基氢/苯基甲基聚硅氧烷等。
有机聚硅氧烷也可以还含有一个侧基和/或端基的极性官能团，例如羟基、环氧基、羧基、氨基、烷氧基、甲基丙酸烯基或疏基，这可以提高聚合物的亲水性程度。例如，有机聚硅氧烷包括至少一个羟基，及任选每分子平均至少两个含硅羟基(硅醇基)。这种有机聚硅氧烷的实例包括，例如，二羟基聚二甲基硅烷、羟基-三甲基硅烷氧基聚二甲基硅氧烷等。也可以采用烷氧基改性的有机聚硅氧烷，例如，二甲氧基聚二甲基硅氧烷、甲氧基-三甲基硅烷氧基-聚二甲基硅氧烷、二乙氧基聚二甲基硅氧烷、乙氧基-三甲基硅烷氧基-聚二甲基硅氧烷等。其它合适的有机聚硅氧烷是至少采用一个氨基官能团改性的有机聚硅氧烷。此类氨基官能团的聚硅氧烷的实例包括，例如，二氨基-官能团的聚二甲基硅氧烷。
最佳的，有机聚硅氧烷具有相对低的分子质量，以提高固化前的密封材料的黏性和流动性。在一些实施例中，例如，有机聚硅氧烷(聚二甲硅氧烷)具有的分子质量大约是100000g/mole或更低，在一些实施例中，大约是60000g/mole或更低，在一些实施例中，大约是5000g/mole至大约30000g/mole。例如，密封材料(固化前)的粘度大约是500Pa-s或更低，在一些实施例中，大约是100Pa-s或更低，在一些实施例中，大约是1Pa-s至大约50Pa-s，这是在温度为25℃下，使用带有20mm平行板并设置为0.5mm间隔的ARES R550PS压力控制流变计测定的。
有选择地控制导热填料和聚合物基体的相对含量，以获得所需要的性质。例如，通常，密封材料占总材料的体积分数大约是25vol.％至大约95vol.％，在一些实施例中，大约是40vol.％至大约90vol.％，在一些实施例中，大约是50vol.％至大约85vol.％.同样的，聚合物基体占总材料的体积分数大约是5vol.％至大约75vol.％，在一些实施例中，大约是10vol.％至大约50vol.％，在一些实施例中，大约是15vol.％至大约40vol.％。如果需要，也可以在密封材料中加入其它添加剂，例如相容剂、固化剂、光引发剂、粘度调节剂、染料、偶联剂(如硅烷偶联剂)、稳定剂等。
一旦以所要求的方式安装和连接，将采用上文所述的方法密封所获得的封装。再次参考图1，例如，外壳也包括一个盖子125，将电容器元件放置于外壳内之后，盖子125盖在底部123的上表面上。如果需要，盖子可以包括法兰127，以获得良好的密封性。一旦放置于所需要的位置，可以采用各种已知技术将盖子125密封于底部123上，例如焊接(如电阻焊接、激光焊接等)、钎焊等。在一些实施例中，密封可以在如上文所述的惰性气体存在时发生，以使获得的电容器组件大体上接触不到活性气体，如氧气或水蒸气。
不管电容器组件的具体结构如何，本发明的电容器组件即使放置于高压和高温环境中仍具有优异的电气性能。例如，由于本发明的电容器组件具有较好的散热能力，在不损坏电容器组件下，电容器组件可以获得相对较高的脉动电流。例如，最高的脉动电流大约是10Amps或更高，在一些实施例中，大约是20Amps或更高，在一些实施例中，大约是25Amps或更高。进一步的，电容器组件的等效串联电阻(ESR)大约是低于50毫欧姆，在一些实施例中，大约是低于25毫欧姆，在一些实施例中，大约是低于20毫欧姆。例如，等效串联电阻(ESR)大约是0.5毫欧姆至大约25毫欧姆，比如大约是1毫欧姆至大约20毫欧姆，比如大约是1.5毫欧姆至大约15毫欧姆。
参考以下的实施例可以更好地理解本发明。
试验程序
等效串联电阻(ESR)
等效串联电阻可以采用带Kelvin引线的安捷伦科技公司的E4980A精密LCR测试计，在直流偏压2.2伏特、峰-峰正弦信号0.5伏特时进行测定。工作频率是100Hz、温度为大约23℃±2℃。
电容(CAP)
电容可以采用带Kelvin引线的安捷伦科技公司的E4980A精密LCR测试计，在直流偏压2.2伏特、峰-峰正弦信号0.5伏特时进行测定。工作频率是120Hz。
泄漏电流(DCL)
泄漏电流可以采用Keithley 2410泄漏电流电压源试验仪在达到适当的电压下(额定电压下，25℃-85℃；60％的额定电压下，125℃和50％的额定电压下150℃)至少60秒后测定。
脉动电流：
脉动电流可以采用GoldStar GP 505电源、一个安捷伦科技公司的33210A信号发生器、一个带有Pt100热电偶的Almemo 2590-9数据记录仪和一个Fluke 80i示波器测定。当适当的脉动电流穿过电容器时，工作频率是20Hz交流信号和10伏特直流偏压。随着脉动电流的增加，温度也增加，这通过热像照相机监控。
实例
采用9000μFV/g钽粉末形成阳极样品。每个阳极样品分别嵌入一根钽线，在1800℃下烧结，压紧至密度为5.3g/cm3。所得到的小球的大小为4.6mm×5.25mm×2.6mm。在电导率为8.6mS的水/磷酸电解质中，温度为85℃下，将小球阳极氧化至260V，形成介电层。将阳极浸渍于固体含量为1.1％、粘度为20mPa.s(CleviosTM K,H.C.Starck)的聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)分散系中形成导电聚合物层。涂覆之后，将部件在125℃下干燥20分钟。重复此步骤10次。然后，将部件浸渍至固体含量为2％、粘度为20mPa.s(CleviosTM K,H.C.Starck)聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)分散系中。涂覆之后，将部件在125℃下干燥20分钟。不重复此步骤。接着，将部件浸渍至固体含量为2％、粘度为160mPa.s(CleviosTM K,H.C.Starck)聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)分散系中。涂覆之后，将部件在125℃下干燥20分钟。重复这个步骤8次。将部件浸渍至石墨分散系中然后干燥。最后，将部件浸渍至银分散系中然后干燥。采用这种方式制造多个100V电容器。
采用铜基引线框材料完成电容器元件组装至圆柱形外壳内的过程。如图6所示，电容器组件包括10个并联的电容器元件。阳极引线框焊接至一块并通过额外的铜带胶合至电绝缘的阳极端口。接着，将阴极连接构件胶合至长度为39.0mm、宽度为25.5mm、厚度为9.5mm的钢制外壳。涂覆所有连接件的粘合剂是银膏。将组件放置于对流恒温烤箱中焊接银膏。
之后，将导热硅胶密封剂(热固性SC-320)涂覆于电容器元件阳极和阴极的顶部并在150℃下干燥24小时。然后，将一个钢制杯子放置于钢制外壳的顶部。在将外壳和杯子缝焊之前，将所得到的组件放置于焊接室中并采用氮气净化。
测试之后，电容器组件的电容是103.6μF，ESR是16.2mΩ。泄漏电流和脉动电流的测试结果如下表所示。
那些熟知本领域的技术人员在不违背本发明精神和范围的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明的实质和范围内。此外，应该理解的是，各实施例的各个方面整体或部分是可以互换的。进一步，那些熟悉本领域的技术人员将了解的是，前述说明只是举例而已，并不用于限制本发明在所附的权利要求书中的进一步描述。
Claims (22)
1.一种电容器组件，包括：
多个电容器元件，所述电容器元件均包括一烧结的多孔阳极体、一介电层以及一固态电解质，所述介电层覆盖于阳极体上，所述固态电解质覆盖于所述介电层上，其中，每个电容器元件伸出一根阳极引线；以及
一圆柱形金属外壳，所述圆柱形金属外壳包括一盖子和一底部，所述盖子在x方向上具有一直径，所述圆柱形金属外壳在z方向上具有一高度，所述直径与高度的比值是1.5至20，其中所述圆柱形金属外壳是密封的并且形成一个内部空腔，多个电容器元件在内部空腔内围绕着z方向的中心轴排列，其中每个电容器元件的阳极引线朝着中心轴延伸。
2.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的内部空腔具有包含惰性气体的气态气氛。
3.根据权利要求1或2所述的电容器组件，其中所示的电容器元件在中心轴线周围呈放射状排列。
4.根据权利要求1所述的电容器组件，其中，多对第一电容器元件和第二电容器元件围绕着中心轴排列。
5.根据权利要求4所述的电容器组件，所述的第一电容器元件具有第一阳极引线，第二电容器元件具有第二阳极引线，第一阳极引线和第二阳极引线通过导电构件成对连接。
6.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的阳极引线连接至连接线。
7.根据权利要求6所述的电容器组件，所述的阳极引线采用焊接的方式连接至连接线。
8.根据权利要求6所述的电容器组件，所述的连接线连接至阳极端子。
9.根据权利要求8所述的电容器组件，所述的阳极端子贯穿底部，进一步的，所述的底部和阳极端子之间放置有绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的固态电解质与底部相连接。
11.根据权利要求10所述的电容器组件，所述的固态电解质通过导电粘合剂与底部相连接。
12.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的电容器组件包括2至50个电容器元件。
13.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的z方向的外壳的高度是3毫米至30毫米。
14.根据权利要求1所述的电容器组件，所述的阳极体由含有钽、铌或它们的导电氧化物的粉末制成。
15.根据权利要求1所述的电容器组件，所述固态电解质包括导电聚合物或二氧化锰。
16.根据权利要求15所述的电容器组件，所述的导电聚合物是取代聚噻吩。
17.根据权利要求16所述的电容器组件，所述的取代聚噻吩是聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)。
18.根据权利要求1所述的电容器组件，所述固态电解质包括几种预聚合的导电聚合物颗粒。
19.根据权利要求1所述的电容器组件，所述电容器组件具有的最高脉动电流是10Amps或更高。
20.根据权利要求1所述的电容器组件，所述电容器组件具有的等效串联电阻为小于20毫欧姆。
21.根据权利要求1所述的电容器组件，密封材料至少部分封装多个电容器元件，所述的密封材料至少置于盖子的内表面，或者置于电容器元件和盖子。
22.根据权利要求21所述的电容器组件，所述的密封材料是导热材料，进一步的，所述的密封材料热导率为1W/m-K或更高。
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Legal Events
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Granted publication date: 20191025 Termination date: 20200311 |
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