CN109887753B - 一种固态铝电解电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种固态铝电解电容器，包括阳极烧结块，阳极烧结块为球形铝粉烧结而成的多孔烧结体；阳极烧结块内形成有导电聚合物，阳极烧结块的外表面包覆有碳浆层和银浆层，阴极引线或者阴极导电框架焊接在银浆层上，阳极烧结块上引出阳极引线。本发明中的固态铝电解电容器不仅继承了传统固态铝电解电容器的优点，即高安全性，宽温度工作区间，高稳定性和高频率特性；并且，本发明的铝电解电容器采用球形铝烧结体作为正极，表面积大，从而使得电容器具有高比容量，电容器可以做的更小；同时本发明中作为正极的烧结体上形成的三氧化二铝膜的品质好，可以做成高压产品。

Description

一种固态铝电解电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种固态铝电解电容器，尤其涉及一种用烧结铝作为阳极的固态铝电解电容器及其制备方法。

背景技术

制作铝电解电容时，现有铝电解电容器使用的正极箔，一般采取对铝箔进行腐蚀的方式制成，即铝箔在强酸的作用下，腐蚀出微小孔洞，以增加铝箔表面的比表面积，但这种制备方式污染大、能耗高和成本高。同时，现有的铝电解电容器大多是卷绕式的，卷绕式的铝电解电容器电解纸和负极箔也和负极箔一起卷绕这样就造成卷绕式铝电解电容器的体积偏大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种正极箔制备污染小、正极箔表面积大的固态铝电解电容器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种固态铝电解电容器，包括阳极烧结块，所述阳极烧结块为球形铝粉烧结而成的多孔烧结体所述阳极烧结块内形成有导电聚合物，所述阳极烧结块的外表面包覆有碳浆层和银浆层，阴极引线或者阴极导电框架焊接在银浆层上，所述阳极烧结块上引出阳极引线。本发明中，直接采用球形铝粉烧结而成的多孔烧结体作为正极，多孔烧结体的孔隙率高，达到40%-50%，吸水性好，在进行化成的时候生成的氧化膜非常均匀；这样作为正极的多孔烧结体的表面积非常大，能够有效的增加电容器的比容量；同时高质量的三氧化二铝，可以使得铝电解电容器的耐高压性能提高。在实验中，我们与同等大小的芯包作为比较，本发明的比容量比传统卷绕式的铝电解电容器高10%-30%，达到550uf（同体积同耐压下常规卷绕式电容一般为470uf）。本发明中，在阳极烧结块的内部形成有导电聚合物，并且由碳浆和银浆引出阴极引线，这样就组成了一个新型的固态铝电解电容器。

上述的固态铝电解电容器，优选的，所述球形粉末的粒径为1μm-10μm，所述多孔烧结体的空隙率在40%-60%之间；所述多孔烧结体的横截面的形状可以是矩形、圆形或者三角形。在本发明中，球形铝粉的粒径为1μm-10μm，若球形粉末的粒径过小，则在烧结后，烧结体化成形成氧化膜表面后，空隙过载而影响正极块的表面积，若粒径过大则使得比表面积小。

上述的固态铝电解电容器，优选的，所述导电聚合物包括乙炔、苯胺、吡咯或噻吩及其衍生物中的一种经聚合后生成的具有导电性质的聚合物。

上述的固态铝电解电容器，优选的，所述导电聚合物内掺杂有0.01～10wt%的碳材料，碳材料包括碳纳米管或石墨烯或碳纳米管和石墨烯的混合物。

掺杂碳材料导电聚合物能提高固态电解质的电导率和导热率，这能有效降低电容使用过程焦耳热的产生，提高电容的散热性。

掺杂碳材料导电聚合物应用于固态电容能有效降低电容的ESR，提高耐纹波电流能力，提高电容性能稳定性。

一种固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤，1）将粒径在1-10μm的球形铝粉倒入到分散剂中，分散剂的量刚好覆盖球形铝粉，搅拌均匀。本发明中的分散剂可以是乙醇，甲醇、丙酮易挥发的液体，值得注意的是不能够添加粘性很高的树脂类分散剂，因为树脂类分散剂在烧结的时候非常容易结块，直接导致在烧结体内呈现出一块一块的碳块。本发明中，分散剂能够保证球形铝粉的表面在烧结之前不被氧化。

2）将步骤1）的球形铝粉转移到模具中，并且成型后将引线插入到模具的浆料中；成型后、脱模转移到真空烧结炉内；

3）向真空烧结炉内通入氮气，并且将真空烧结炉内的空气排空，将真空烧结炉的温度升高到150-200摄氏度，保温20min-2h；

4）将步骤3）真空烧结炉抽真空后重新通入氮气或者氩气，往复3-5次；最后抽真空；通过更换3-5次氮气这样烧结炉内的分散剂被完全排空，最后抽真空，能够最大限度的保证烧结的时候球形铝粉不会氧化，一旦球形铝粉的表面被氧化，那么球形铝粉的烧结就得不到把控，因为氧化铝的熔点远远高于铝的熔点，若球形铝粉的表面被氧化，那么在本发明的烧结温度下可能球形铝粉不会被烧结成为一个整体。

5）将步骤4）的真空烧结炉温度升高到400-500摄氏度，保温1-2h后升温到623-655摄氏度，保温3min-18min，然后将温度降至450-500摄氏度，保温1-12h；最后将温度降至室温；在本发明中真正的烧结温度在623-655摄氏度，在实验室的条件下，最佳温度为650摄氏度，时间在10min。我们知道铝的熔点为660摄氏度，温度过低则起不到烧结的作用，温度过高直接将铝粉熔化，冷却后直接成为一个铝块都是不行的。本发明中球形铝粉的粒径在1-10μm，烧结温度控制在623-655摄氏度之间，时间为3min-12h之间，在这个条件下条球形铝粉能够烧结成型，并且内部含有大量的空隙。

6）将步骤5）完成的烧结体置于超声波清洗装置中清洗，直到烧结体的表面干净；

7）将步骤6）处理后的烧结体置于纯水中，煮沸3min-30min。在本发明中，将烧结体用超声波清洗，并且在纯水中煮沸，这样烧结体外层未成型的浮粉被清洗掉。

8）将煮沸完毕的烧结体引线打磨至露出金属光泽；

9）将烧结体置于化成液中，真空条件下浸泡5min-1h；

10）将烧结体连接化成电源的正极，置于化成液中开始加压化成；化成电压是1V-600V，化成电流是1mA /㎝²-1000 mA /㎝²，化成温度是0℃-100℃；

11）化成完毕后，将烧结体取出，并将残留的化成液洗净；

12）将步骤11）的烧结体浸入有聚硅氧烷的稀溶液中进行前处理，聚硅氧烷的浓度为0.1wt%～20wt%，前处理过程在常温常压下进行，前处理后在室温～150℃温度下进行干燥；

13）将电容器素子浸入含有碳材料和导电聚合物单体的分散液中；含浸方式可以是普通常温含浸，可以是真空含浸，含浸时真空度为：0.1～1×10^-4Pa，也可以是真空加压含浸，压力大小范围为0.01～1MPa ；

14）将含浸后的电容器素子在室温～160℃温度条件下干燥，干燥时间30～90min；4）将干燥后的电容器素子进行氧化剂含浸，氧化剂为芳香族类磺酸铁，氧化剂溶液浓度10～70wt%；

15）对含浸氧化剂后的电容器素子进行进行聚合反应，加热反应的最高温度为200℃，反应时间为1～48h；

16）将步骤15）的烧结体浸渍碳浆，使得碳浆完全覆盖烧结体，并且烘干；

17）将步骤16）的烧结体浸渍银浆，使得银浆完全覆盖碳浆，并且烘干；

18）将阴极引线，或阴极导电框架焊接在浸完银浆的烧结体上。

上述的铝电解电容器的制备方法，优选的，步骤3）的模具在灌装步骤2）的球形铝粉前，用干燥的球形铝粉在模具的底部铺一层打底粉料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的固态铝电解电容器不仅继承了传统固态铝电解电容器的优点，即高安全性，宽温度工作区间，高稳定性和高频率特性；并且，本发明的铝电解电容器采用球形铝烧结体作为正极，表面积大，从而使得电容器具有高比容量，电容器可以做的更小；同时本发明中作为正极的烧结体上形成的三氧化二铝膜的品质好，可以做成高压产品。

附图说明

图1为圆柱形阳极烧结块的示意图。

图2 为阳极烧结块放大500倍的微观电镜图。

图3为阳极烧结块内形成有导电聚合物膜后的示意图。

图4为安装有负极引线的烧结块的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1

一种固态铝电解电容器，包括阳极烧结块，阳极烧结块为球形铝粉烧结而成的多孔烧结体；阳极烧结块内形成有导电聚合物，阳极烧结块的外表面包覆有碳浆层和银浆层，阴极引线或者阴极导电框架焊接在银浆层上，阳极烧结块上引出阳极引线。

本实施例中，球形铝粉的粒径为1μm-10μm，多孔烧结体的空隙率在40%-60%之间；多孔烧结体呈圆柱形，多孔烧结体的横截面的形状为圆形。导电聚合物包括乙炔、苯胺、吡咯或噻吩及其衍生物中的一种经聚合后生成的具有导电性质的聚合物。导电聚合物内掺杂有0.1wt%的碳材料。

掺杂碳材料导电聚合物应用于固态电容能有效降低电容的ESR，提高耐纹波电流能力，提高电容性能稳定性，实验结果如下表所示，本实验采用石墨烯作为掺杂碳材料，掺杂量为0.1wt%，单体溶液浓度为20wt%，氧化剂浓度为60wt%，反应聚合温度为30℃，聚时间为12小时。

本实施例的一种固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤，1）将粒径在1-10μm的球形铝粉倒入到分散剂中，分散剂的量刚好覆盖球形铝粉，搅拌均匀；本实施例中，分散剂采用丙酮。

2）将步骤1）的球形铝粉转移到模具中，并且成型后将引线插入到模具的浆料中；成型后、脱模转移到真空烧结炉内；模具在灌装步骤1）的球形铝粉前，用干燥的球形铝粉在模具的底部铺一层打底粉料。

3）向真空烧结炉内通入氮气，并且将真空烧结炉内的空气排空，将真空烧结炉的温度升高到200摄氏度，保温20min；

4）将步骤3）真空烧结炉抽真空后重新通入氮气或者氩气，往复4次；最后抽真空；

5）将步骤4）的真空烧结炉温度升高到450摄氏度，保温1-2h后升温到650摄氏度，保温10min，然后将温度降至450摄氏度，保温5h；最后将温度降至室温；

6）将步骤5）完成的烧结体置于超声波清洗装置中清洗，直到烧结体的表面干净；

7）将步骤6）处理后的烧结体置于纯水中，煮沸10min；

8）将煮沸完毕的烧结体引线打磨至露出金属光泽；

9）将烧结体置于化成液中，真空条件下浸泡30min；

10）将烧结体连接化成电源的正极，置于化成液中开始加压化成；化成电压是1V-600V，化成电流是1mA /㎝²-1000 mA /㎝²，化成温度是0℃-100℃；通过使用不同体系的化成液及化成电压、电流，烧结体最终化成耐压值在1V-650V之间不等，容量在1uf-600uf之间不等。

11）化成完毕后，将烧结体取出，并将残留的化成液洗净；

12）将步骤11）的烧结体浸入有聚硅氧烷的稀溶液中进行前处理，聚硅氧烷的浓度为0.1wt%～20wt%，前处理过程在常温常压下进行，前处理后在室温～150℃温度下进行干燥；

13）将电容器素子浸入含有碳材料和导电聚合物单体的分散液中；含浸方式可以是普通常温含浸，可以是真空含浸，含浸时真空度为：0.1～1×10^-4Pa，也可以是真空加压含浸，压力大小范围为0.01～1MPa ；

14）将含浸后的电容器素子在室温～60℃温度条件下干燥，干燥时间30～90min；4）将干燥后的电容器素子进行氧化剂含浸，氧化剂为芳香族类磺酸铁，氧化剂溶液浓度10～70wt%；

15）对含浸氧化剂后的电容器素子进行进行聚合反应，加热反应的最高温度为200℃，反应时间为1～48h；

16）将步骤15）的烧结体浸渍碳浆，使得碳浆完全覆盖烧结体，并且烘干；

17）将步骤16）的烧结体浸渍银浆，使得银浆完全覆盖碳浆，并且烘干；

18）将阴极引线，或阴极导电框架焊接在浸完银浆的烧结体上。

本实施例的铝电解电容器采用球形铝烧结体作为正极，表面积大，从而使得电容器具有高比容量，电容器可以做的更小。例如：某种常规卷绕式电容器体积为φ10mmx12mm，电压25V，容量约为470uf；而能与之对应的该烧结体电容器，在电压25V相同的情况下，容量可达550uf，体积缩小至φ8mmx11mm；同时本发明中作为正极的烧结体上形成的三氧化二铝膜的品质好，可以做成高压产品。

Claims (4)

1.一种固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，1）将粒径在1-10μm的球形铝粉倒入到分散剂中，分散剂的量刚好覆盖球形铝粉，搅拌均匀；

2）将步骤1）的球形铝粉转移到模具中，并且成型后将引线插入到模具的浆料中；成型后、脱模转移到真空烧结炉内；

3）向真空烧结炉内通入氮气，并且将真空烧结炉内的空气排空，将真空烧结炉的温度升高到150-200摄氏度，保温20min-2h；

4）将步骤3）真空烧结炉抽真空后重新通入氮气或者氩气，往复3-5次；最后抽真空；

5）将步骤4）的真空烧结炉温度升高到400-500摄氏度，保温1-2h后升温到623-655摄氏度，保温3min-18min，然后将温度降至450-500摄氏度，保温1-12h；最后将温度降至室温；

6）将步骤5）完成的烧结体置于超声波清洗装置中清洗，直到烧结体的表面干净；

7）将步骤6）处理后的烧结体置于纯水中，煮沸3min-30min；

8）将煮沸完毕的烧结体引线打磨至露出金属光泽；

9）将烧结体置于化成液中，真空条件下浸泡5min-1h；

10）将烧结体连接化成电源的正极，置于化成液中开始加压化成；化成电压是1V-600V，化成电流是1mA /㎝²-1000 mA /㎝²，化成温度是0℃-100℃；

11）化成完毕后，将烧结体取出，并将残留的化成液洗净；

12）将步骤11）的烧结体浸入有聚硅氧烷的稀溶液中进行前处理，聚硅氧烷的浓度为0.1wt%～20wt%，前处理过程在常温常压下进行，前处理后在室温～150℃温度下进行干燥；

13）将电容器素子浸入含有碳材料和导电聚合物单体的分散液中；含浸方式为常温含浸、真空含浸或者真空加压含浸，所述真空含浸时真空度为：0.1～1×10-4Pa，真空加压含浸是压力大小范围为0.01～1MPa；

14）将含浸后的电容器素子在室温～60℃温度条件下干燥，干燥时间30～90min；4）将干燥后的电容器素子进行氧化剂含浸，氧化剂为芳香族类磺酸铁，氧化剂溶液浓度10～70wt%；

15）对含浸氧化剂后的电容器素子进行聚合反应，加热反应的最高温度为200℃，反应时间为1～48h；

16）将步骤15）的烧结体浸渍碳浆，使得碳浆完全覆盖烧结体，并且烘干；

17）将步骤16）的烧结体浸渍银浆，使得碳浆完全覆盖银浆，并且烘干；

18）将阴极引线，或阴极导电框架焊接在浸完银浆的烧结体上；制备出固态铝电解电容器；

所述固态铝电解电容器，包括阳极烧结块，所述阳极烧结块为球形铝粉烧结而成的多孔烧结体；所述阳极烧结块内形成有导电聚合物，所述阳极烧结块的外表面包覆有碳浆层和银浆层，阴极引线或者阴极导电框架焊接在银浆层上，所述阳极烧结块上引出阳极引线；所述球形铝粉的粒径为1μm-10μm，所述多孔烧结体的空隙率在40%-50%之间；所述多孔烧结体的横截面的形状是矩形、圆形或者三角形。

2.根据权利要求 1所述的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：步骤2）的模具在灌装步骤1）的球形铝粉前，用干燥的球形铝粉在模具的底部铺一层打底粉料。

3.根据权利要求1所述的铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述导电聚合物内掺杂有0.01～10wt%的碳材料，碳材料包括碳纳米管或石墨烯或碳纳米管和石墨烯的混合物。

4.根据权利要求1所述的铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述导电聚合物包括乙炔、苯胺、吡咯或噻吩及其衍生物中的一种经聚合后生成的具有导电性质的聚合物。

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