CN109637809B - 一种陶瓷储能电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陶瓷储能电容器及其制备方法。通过在陶瓷基片两面各包覆一层极薄的氧化物介质薄膜，在制备出的陶瓷储能电容器厚度较薄的情况下还能够保持电容器的电容量基本不变；本发明采用的氧化物介质薄膜的导热性比高分子材料导热性好，能够降低储能电容器重复使用过程中的热量积累，同时氧化物介质薄膜能适应更高的温度，降低了对使用环境的温度要求。此外，采用本发明方法制备出来的氧化物介质薄膜较致密，起到阻挡作用，能很好地解决储能电容器在重复循环使用过程中，电容器自身漏电流逐渐增大的问题，从而减小储能电容器在充放电循环过程中自身的漏电流变化，在能量释放过程中，维持相同的峰值电流。
Description
技术领域
本发明涉及储能电容器技术领域，特别是涉及一种陶瓷储能电容器及其制备方法。
背景技术
现有储能电容器的制备过程中，大多是在储能电容上涂敷或者包覆一层有机高分子材料膜，来提高储能电容器的耐电压及充放电循环周期。此种制备方式存在以下缺点：1、有机高分子材料膜层介电常数小，储能电容器涂敷或者包覆该膜层后，容量较小、储能密度降低；2、有机高分子材料膜层耐温低，对储能电容器的使用环境温度有严格要求；3、在涂敷或包覆有机高分子膜层后的储能电容上制备电极难度大，工艺复杂；4、涂敷或包覆有机高分子膜层后，储能电容器在充放电循环过程中积累的热量不易释放，会导致电容器自身的温度升高，对可靠性有不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷储能电容器及其制备方法，以解决现有方法制备的储能电容器容量小、对使用环境温度要求高、制备工艺复杂且热量不易释放的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种陶瓷储能电容器，所述陶瓷储能电容器包括：陶瓷基片、氧化物介质薄膜和电极；所述氧化物介质薄膜包括上氧化物介质薄膜和下氧化物介质薄膜；所述电极包括上电极和下电极；所述上电极、所述上氧化物介质薄膜、所述陶瓷基片、所述下氧化物介质薄膜以及所述下电极依次设置。
可选的，所述陶瓷基片的材料为钛酸锶，或钛酸钡，或钛酸锶钡，或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶，或一种或多种微量元素掺杂钛酸钡，或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡。
可选的，所述氧化物介质薄膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化硅、氧化锆、氧化钼、氧化钴、氧化钨、锆酸钙、铪酸钙、铝酸镧中的一种。
可选的，所述上氧化物介质薄膜的厚度30～300nm；所述上氧化物介质薄膜与所述下氧化物介质薄膜的厚度相同。
可选的，所述电极的材料为铝、银、金、铂中的一种。
一种陶瓷储能电容器的制备方法，所述制备方法用于制备所述陶瓷储能电容器；所述制备方法包括：
采用陶瓷粉体制备陶瓷基片；
在所述陶瓷基片的两面分别制备一层氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片；
在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器；
在所述大规模储能电容器的上、下表面分别刻蚀上、下电极图形；
根据所述上、下电极图形将所述大规模储能电容器划切为单个陶瓷储能电容器。
可选的，所述采用陶瓷粉体制备陶瓷基片，具体包括：
采用介电常数40～4000的陶瓷粉体制备所述陶瓷基片；所述陶瓷粉体为钛酸锶、或钛酸钡、或钛酸锶钡、或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶、或一种或多种微量元素掺杂钛酸钡、或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡的粉体。
可选的，所述在所述陶瓷基片的两面分别制备一层氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片，具体包括：
在所述陶瓷基片的两面分别制备一层30～300nm的氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片；所述氧化物介质薄膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化硅、氧化锆、氧化钼、氧化钴、氧化钨、锆酸钙、铪酸钙、铝酸镧中的一种。
可选的，所述在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器之前，还包括：
将所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片放入氧气气氛下进行退火处理，退火温度300℃～700℃，退火时间10s～30min，同时保持所述氧化物介质薄膜仍为非晶态。
可选的，所述在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器，具体包括：
采用丝网印刷、磁控溅射或电镀方法在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器；所述上、下电极层的材料为铝、银、金、铂中的一种。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种陶瓷储能电容器及其制备方法，通过在陶瓷基片两面各包覆一层极薄的氧化物介质薄膜，在制备出的陶瓷储能电容器厚度较薄的情况下还能够保持电容器的电容量基本不变；本发明采用的氧化物介质薄膜的导热性比高分子材料导热性好，能够降低储能电容器重复使用过程中的热量积累，同时氧化物介质薄膜能适应更高的温度，降低了对使用环境的温度要求。此外，采用本发明方法制备出来的氧化物介质薄膜较致密，起到阻挡作用，能很好地解决储能电容器在重复循环使用过程中，电容器自身漏电流逐渐增大的问题，从而减小储能电容器在充放电循环过程中自身的漏电流变化，在能量释放过程中，维持相同的峰值电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的陶瓷储能电容器的结构示意图；
图2为本发明制备陶瓷基片的示意图；
图3为本发明在陶瓷基片两面包覆氧化物介质薄膜的示意图；
图4为本发明在包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片两面制备电极的示意图；
图5为本发明刻蚀电极图形的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种陶瓷储能电容器及其制备方法，以解决现有方法制备的储能电容器容量小、对使用环境温度要求高、制备工艺复杂且热量不易释放的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的陶瓷储能电容器的结构示意图。参见图1，本发明提供的陶瓷储能电容器包括：陶瓷基片103、氧化物介质薄膜和电极；所述氧化物介质薄膜包括上氧化物介质薄膜102和下氧化物介质薄膜104；所述电极包括上电极101和下电极105；所述上电极101、所述上氧化物介质薄膜102、所述陶瓷基片103、所述下氧化物介质薄膜104以及所述下电极105从上往下依次层叠设置。
其中所述陶瓷基片103的材料包括但不局限于：钛酸锶、钛酸钡、钛酸锶钡、一种或多种微量元素掺杂钛酸锶、一种或多种微量元素掺杂钛酸钡、一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡等粉体。所述电极的材料为铝、银、金、铂等。
所述氧化物介质薄膜的材料包括但不局限于：氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化硅、氧化锆、氧化钼、氧化钴、氧化钨、锆酸钙、铪酸钙、铝酸镧等材料。
所述上氧化物介质薄膜102与所述下氧化物介质薄膜104的厚度相同，均为30～300nm。由于本发明氧化物介质薄膜的厚度较薄，根据电容器串联后公式：1/C总＝1/C1+1/C2+1/C3，其中C总为储能电容器的总电容量；C2为陶瓷基片的电容，C1及C3分别为陶瓷基片103上、下表面的氧化物介质薄膜的电容，由于所述氧化物介质薄膜的电容容量较大，所以最终电容量C总还是取决于陶瓷基片的电容量C2，因此电容器的电容量基本保持不变。
本发明还提供所述陶瓷储能电容器的制备方法，所述制备方法包括：
1.采用陶瓷粉体制备陶瓷基片。
图2为本发明制备陶瓷基片的示意图，采用介电常数40～4000的陶瓷粉体制备储能电容器用陶瓷基片103。所述陶瓷粉体包括但不局限于：钛酸锶、钛酸钡、钛酸锶钡、一种或多种微量元素掺杂钛酸锶、一种或多种微量元素掺杂钛酸钡、一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡等粉体。
2.在所述陶瓷基片的两面分别制备一层氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片。
图3为本发明在陶瓷基片两面包覆氧化物介质薄膜的示意图。通过PVD(物理气相沉积法)、CVD(化学气相沉积法)、PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)、热蒸发法、原子层沉积法(ALD)、磁控溅射等方法，在所述储能电容器用陶瓷基片103的上、下两面分别制备一层30～300nm的氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片，如图3所示。其中所述氧化物介质薄膜的材料包括但不局限于：氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化硅、氧化锆、氧化钼、氧化钴、氧化钨、锆酸钙、铪酸钙、铝酸镧等。
3.在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器。
图4为本发明在包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片两面制备电极的示意图。在制备电极之前，需将所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片放入氧气气氛下进行退火处理，退火温度300℃～700℃，退火时间10s～30min，同时保持所述氧化物介质薄膜仍为非晶态。
再采用丝网印刷、磁控溅射或电镀等方法在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器。所述上、下电极层的材料为铝、银、金、铂等。
4.在所述大规模储能电容器的上、下表面分别刻蚀上、下电极图形。
图5为本发明刻蚀电极图形的示意图。采用光刻、显影、腐蚀方法将多余金属刻蚀后，在所述大规模储能电容器的上、下表面分别形成上、下电极图形。
5.根据所述上、下电极图形将所述大规模储能电容器划切为单个陶瓷储能电容器。
根据所述上、下电极图形对所述大规模储能电容器进行划切后，便可以得到单个陶瓷储能电容器，如图1所示。
采用本发明方法制备的陶瓷储能电容器，与现有的包覆有机高分子材料膜的储能电容器相比，至少具有以下优点：
1、本发明陶瓷储能电容器中氧化物介质膜层的厚度较薄，根据电容器串联后公式：1/C总＝1/C1+1/C2+1/C3，由于陶瓷基片两面包覆的所述氧化物介质薄膜的电容容量C1及C3较大，所以最终电容量C总还是取决于陶瓷基片的电容量C2，因此电容器的电容量基本保持不变。
2.本发明采用的氧化物介质薄膜的导热性比有机高分子材料膜的导热性好，能够降低储能电容器重复使用过程中的热量积累，同时本发明采用的氧化物介质薄膜能适应更高的温度，降低了储能电容器对使用环境的温度要求。
3.采用本发明方法制备出的氧化物介质薄膜较致密，起到阻挡层作用，能很好地解决储能电容器在重复循环使用过程中，电容器自身漏电流逐渐增大的问题，从而能够减小储能电容器在充放电循环过程中自身的漏电流变化，在能量释放过程中，维持相同的峰值电流。
4.能够提高储能电容器在额定高电压下的重复充放电循环次数。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种陶瓷储能电容器，其特征在于，所述陶瓷储能电容器包括：陶瓷基片、氧化物介质薄膜和电极；所述氧化物介质薄膜包括上氧化物介质薄膜和下氧化物介质薄膜；所述电极包括上电极和下电极；所述上电极、所述上氧化物介质薄膜、所述陶瓷基片、所述下氧化物介质薄膜以及所述下电极依次设置；
所述陶瓷基片的材料为钛酸锶，或钛酸钡，或钛酸锶钡，或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶，或一种或多种微量元素掺杂钛酸钡，或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡；
所述上氧化物介质薄膜的厚度30～300nm；所述上氧化物介质薄膜与所述下氧化物介质薄膜的厚度相同；
采用陶瓷粉体制备陶瓷基片；
在所述陶瓷基片的两面分别制备一层氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片；
在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器；
在所述大规模储能电容器的上、下表面分别刻蚀上、下电极图形；
根据所述上、下电极图形将所述大规模储能电容器划切为单个陶瓷储能电容器；
所述在所述陶瓷基片的两面分别制备一层氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片，具体包括：
在所述陶瓷基片的两面分别制备一层30～300nm的氧化物介质薄膜，形成包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片；所述氧化物介质薄膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化铪、氧化硅、氧化锆、氧化钼、氧化钴、氧化钨、锆酸钙、铪酸钙、铝酸镧中的一种；
所述在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器之前，还包括：
将所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片放入氧气气氛下进行退火处理，退火温度300℃～700℃，退火时间10s～30min，同时保持所述氧化物介质薄膜仍为非晶态。
2.根据权利要求1所述的陶瓷储能电容器，其特征在于，所述电极的材料为铝、银、金、铂中的一种。
3.根据权利要求1所述的陶瓷储能电容器 ，其特征在于，所述采用陶瓷粉体制备陶瓷基片，具体包括：
采用介电常数40～4000的陶瓷粉体制备所述陶瓷基片；所述陶瓷粉体为钛酸锶、或钛酸钡、或钛酸锶钡、或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶、或一种或多种微量元素掺杂钛酸钡、或一种或多种微量元素掺杂钛酸锶钡的粉体。
4.根据权利要求1所述的陶瓷储能电容器 ，其特征在于，所述在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器，具体包括：
采用丝网印刷、磁控溅射或电镀方法在所述包覆氧化物介质薄膜的陶瓷基片的两面分别制备上、下电极层，形成大规模储能电容器；所述上、下电极层的材料为铝、银、金、铂中的一种。
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