CN108962602A - 一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法 - Google Patents

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张继保
朱孔军
陈友兵
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Abstract

本发明提供一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法，包括以下步骤：基材铝箔选择纯度大于99.97％的高纯铝，铝箔厚度为15‑130um；利用水热球磨法，将高介电常数材料形成颗粒均匀、粒度不大于100纳米的粉剂材料；采用超音速冷喷涂将颗粒喷射到铝箔表面，在铝箔表面形成毛细孔扩充表面积；电化学处理，电压电流为100‑900VF/50‑800A，车速为0.6‑4.5m/min，温度为80‑90℃，电化学水溶液为3‑10％无机酸、有机酸及其盐溶液。本发明的有益效果为：通过物理变形方式不会改变介电材料结构，明显提高铝箔比容；工艺简单，环保无污染；容易实现大规模生产。

Description

一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法
技术领域
本发明属于储能工艺领域，涉及一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法。
背景技术
铝电解电容器由于价格低廉、比容量高因而在家用电器、计算机、通信设备、工业控制、电动汽车、电力机车及航空航天等各种电子设备中广泛应用，随着电子技术的快速发展，对铝电解电容器小型化、片式化、长寿命、高可靠的技术要求更加迫切。在环保节能领域，铝电解电容器的应用极为重要。但由于铝电解电容器的能量密度低，因此铝电解电容器的应用受到限制。如何提高铝电解电容器的能量密度成为很多研究人员所主攻的方向。
电子铝箔作为铝电解电容器的核心原材料，其性能的优劣直接影响到铝电解电容器的诸多使用特性。电极箔制造的完整产业链一般为：精铝(高纯铝锭)→电子铝箔→腐蚀箔→电极箔(化成箔)→铝电解电容器。铝电解电容器的电容量由下式决定：
其中ε0-真空介电常数一般为1 εr-电介质相对介电常数
S-电极的表面积 d-极间的距离即介质膜厚度
由上所述可以看出如要提高其电容量，解决办法有以下几种：(1)扩大阳极表面积S；(2)提高电介质相对介电常数εr；(3)减小极间的距离d，也就是减小电介质厚度。对于铝电解电容器而言，电介质相对介电常数εr为固定三氧化二铝(Al2O3)介质膜介电常数为7.0左右，介质膜的厚度一般和电压成正比即1.2nm/V,主要通过腐蚀扩大铝箔有效面积，目前这种提高比容的方法已经接近极限，若想再大幅提高十分困难。
为实现铝电解电容器容量的提升，科研人员进行了大量的研究，其中代表性的方法有：(1)湿化学法，在腐蚀箔表面沉积高介电材料并通过电化学处理以实现比容的提升，但采用腐蚀方法会污染环境，并且工艺处理过程繁琐、电极箔成本较高。(2)等离子喷涂法，在铝箔表面以4500-5500℃温度将高介电常数材料熔化喷涂在箔表面以形成复合介质层，通过提升电介质相对介电常数εr，进而提高铝箔的比容，但在高速和高温条件下，该方法会对铝箔产生热变形破坏作用，同时在4500-5500℃温度下，高介电常数陶瓷材料的立方晶形发生改变导致介电特性变化。(3)磁控溅射或真空蒸发法，该方法是在铝箔基材表面镀覆一层碳、钛、氮化钛或碳氮化钛等导电颗粒材料，增大铝箔的有效表面积，但该方法工艺复杂，所需设备昂贵，制备成本高，而且很难保证导电材料与铝箔基体的紧密粘附。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法，采用超音速冷喷涂技术将高介电常数陶瓷材料喷射到铝箔表面，提高介电常数并扩大电子铝箔表面积。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：基材铝箔选择纯度大于99.97％的高纯铝，铝箔厚度为15-130um；
步骤二：利用水热球磨法，将高介电常数材料形成颗粒均匀、粒度不大于100纳米的粉剂材料；
步骤三：采用超音速冷喷涂处理，选择空气压力为1.2MPa给高介电常数陶瓷材料颗粒进行加速，使颗粒速度稳定在400-700m/s的超音速度上，将高介电常数陶瓷材料喷射到铝箔表面，形成介质膜；
步骤四：电化学处理，电压电流为100-900VF/50-800A，车速为0.6-4.5m/min，温度为80-90℃，电化学水溶液为3-10％无机酸、有机酸及其盐溶液；
进一步的技术方案中，步骤二中的高介电常数陶瓷材料为钛、钛氧化物、钛酸钡、锆、铷、钒的一种或多种及改性材料，其介电常数可实现1500以上，通过改性处理最高可实现300000以上的介电常数；
进一步的技术方案中，步骤三中采用超音速冷喷涂将颗粒喷射到铝箔表面，在铝箔表面形成毛细孔扩充表面积；
进一步的技术方案中，步骤三中超音速冷喷涂的送粉速度为28g/min,喷涂距离选择5-40mm,扁平喷嘴尺寸选择8-50mm×5-20mm，以实现高介电常数材料颗粒均匀地附着在铝箔表面。
本发明的有益效果：(1)本发明采用超音速冷喷涂技术将颗粒喷射到铝箔表面，在铝箔表面形成毛细孔扩充表面积，通过物理变形的方式扩充面积，基材铝箔温度不超过150℃，不会破坏高介电常数材料的立方晶形结构，达到了提高比容的效果；(2)工艺处理过程简单，同时避免了铝箔因强酸腐蚀而带来的污染问题；(3)本发明可以根据技术要求控制介质膜厚度，实现电子铝箔加工处理的简易性，提高加工效率，容易实现大生产的需求。
具体实施方式：
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明的提高高压电容电池用铝箔比容的方法，包括以下步骤：
步骤一：基材铝箔选择纯度大于99.97％的高纯铝，铝箔厚度为15-130um；
步骤二：利用水热球磨法，将钛、钛氧化物、钛酸钡、锆、铷、钒的一种或多种及改性材料的高介电常数材料形成颗粒均匀、粒度不大于100纳米的粉剂材料，高介电常数材料可实现介电常数1500以上，通过改性处理最高可实现介电常数300000。
步骤三：采用超音速冷喷涂处理，选择空气压力为1.2MPa给高介电常数陶瓷材料颗粒进行加速，颗粒速度为480m/s，送粉速度为28g/min，将高介电常数陶瓷材料喷射到铝箔表面，在铝箔表面形成均匀的毛细孔来扩充表面积，并形成介质膜；
步骤四：为实现铝箔稳定的介质膜面积、高介电特性以及可靠的电性能，对上述处理后材料进行电化学处理，电压电流为100-900VF/50-800A，车速为0.6-4.5m/min，温度为80-90℃，电化学水溶液为3-10％无机酸、有机酸及其盐溶液，介质膜层复合处理之后，获得稳定可靠的高比容电极铝箔。
实施例1：不采用超音速冷喷涂处理，直接形成的铝箔，即冷喷涂处理介质膜厚度为0nm。
实施例2：采用超音速冷喷涂处理，步骤三中形成的介质膜厚度为100nm。
实施例3：采用超音速冷喷涂处理，步骤三中形成的介质膜厚度为300nm。
实施例4：采用超音速冷喷涂处理，步骤三中形成的介质膜厚度为500nm。
实施例5：采用超音速冷喷涂处理，步骤三中形成的介质膜厚度为1000nm。
经过上述处理后电极铝箔的比容分别如下表：
从表中可知，未进行本发明方法处理的铝箔比容在0.008-0.14uF/cm2，经过本发明方法处理后铝箔比容在4.5-70uF/cm2，未经过超音速冷喷涂处理的铝箔比容相对于经过超音速冷喷涂处理的铝箔的比容较低。电子铝箔经过本发明方法处理后，使表面积和介电常数得到提高，从而达到了提高比容的效果。

Claims (4)

1.一种提高高压电容电池用铝箔比容的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：基材铝箔选择纯度大于99.97％的高纯铝，铝箔厚度为15-130um；
步骤二：利用水热球磨法，将高介电常数材料形成颗粒均匀、粒度不大于100纳米的粉剂材料；
步骤三：采用超音速冷喷涂处理，选择空气压力为1.2MPa给高介电常数陶瓷材料颗粒进行加速，使颗粒速度稳定在400-700m/s的超音速度上，将高介电常数陶瓷材料喷射到铝箔表面，形成介质膜；
步骤四：电化学处理，电压电流为100-900VF/50-800A，车速为0.6-4.5m/min，温度为80-90℃，电化学水溶液为3-10％无机酸、有机酸及其盐溶液。
2.根据权利要求1所述的提高高压电容电池用铝箔比容的方法，其特征在于：步骤二中的高介电常数陶瓷材料为钛、钛氧化物、钛酸钡、锆、铷、钒的一种或多种及改性材料，其介电常数可实现1500以上，通过改性处理最高可实现300000以上的介电常数。
3.根据权利要求1所述的提高高压电容电池用铝箔比容的方法，其特征在于：步骤三中采用超音速冷喷涂将颗粒喷射到铝箔表面，在铝箔表面形成毛细孔扩充表面积。
4.根据权利要求1所述的提高高压电容电池用铝箔比容的方法，其特征在于：步骤三中超音速冷喷涂送粉速度为28g/min,喷涂距离选择5-40mm,扁平喷嘴尺寸选择8-50mm×5-20mm，以实现高介电常数材料颗粒均匀地附着在铝箔表面。
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