CN110892495A - 制造聚合物电容器的方法和聚合物电容器 - Google Patents
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Abstract
制造聚合物电容器（1）的方法包括：卷绕阳极箔（2）、阴极箔（3）和分离箔（4）以形成绕组（5），用包括溶剂和聚合物前体的分散体浸渍绕组（5），通过超临界流体萃取从绕组（5）中萃取溶剂。所制造的聚合物电容器（1）包括分布在聚合物（13）中的一种或多种添加物（20），其中添加物（20）中的至少一种具有低于130℃的沸点。
Description
本发明涉及制造聚合物电容器的方法并且涉及聚合物电容器。特别地，电容器可以是包括固体聚合物电解质和液体电解质的混合聚合物电容器。
这类电容器通常包括卷绕到绕组的阳极箔、阴极箔和介于之间的分离箔。阳极箔被介电层覆盖。聚合物覆盖阳极箔、特别是阳极箔的介电层，并充当阴极。通过用包含溶剂、聚合物前体和可选的添加物的分散体浸渍绕组来施加聚合物。
如在US 7,497,879 B2中描述的标准方法中，通过浸渍施加分散体，并且此后，通过在真空中和/或在高温下蒸发去除溶剂。这些条件可能导致箔退化，并可能导致添加物量的不希望的减小。
本发明的目的是要提供一种改进的制造聚合物电容器的方法。此外，本发明的目的是要提供一种具有改进的属性的聚合物电容器。
在一方面，本发明涉及一种制造聚合物电容器的方法。聚合物电容器可以是混合聚合物电容器，其包括形成固体电解质的聚合物，并且还包括液体电解质。分离箔可以用液体电解质浸渍。
该方法包括卷绕阳极箔、阴极箔和分离箔以形成绕组，用包括溶剂和聚合物前体的分散体浸渍绕组，以及以超临界流体萃取工艺从绕组中萃取溶剂。
特别地，聚合物前体是在溶剂的去除之后形成聚合的聚合物的颗粒。聚合物是导电的。分散体可以包括一种或多种添加物。添加物可以用于增加聚合物的导电性，并从而用于减小电容器的ESR（等效串联电阻）。添加物可以替代地或附加地以除了通过分散体以外的其它方式添加到绕组元件。作为示例，在将箔卷绕成绕组元件之前，可以将一种或多种添加物添加到箔。
在超临界流体萃取工艺中，处于其超临界相的流体用于萃取溶剂。作为示例，二氧化碳或氧化亚氮可以用作流体。绕组储存在萃取室中，流体被引入该萃取室中。设置萃取室中的温度和压力，使得实现流体的超临界相。
在液体的超临界相的温度-压力区域内，可以调整温度和压力，使得选择性地从绕组中萃取溶剂。特别地，在超临界流体萃取工艺中，分散体的其它组分可以不从绕组中被萃取或仅被少量萃取。这使得能够在萃取工艺期间以高量或者甚至以初始量留存添加物，所述添加物可以被包含在初始分散体中或者可以通过其它方法被添加到绕组元件。特别地，具有低沸点的添加物可以被留存在绕组中。
超临界流体萃取工艺可以在低工艺温度（例如低于60℃）下施行。由此，可以防止由于高温所致的绕组损坏。在常规的蒸发工艺中，溶剂作为蒸汽蒸发，这可能例如通过箔上的氧化物和氢氧化物生成而导致绕组损坏。这可能导致寿命降低和降低的电气性能。
超临界流体萃取工艺可以在高于1 atm的压力下施行。与此相反，常规的蒸发工艺通常在低压或真空条件下施行，这可能导致不希望的添加物去除。通过在高于1 atm的压力下施行该工艺，添加物可以留存在绕组中，并防止绕组损坏。
在实施例中，分散体中的一种或多种添加物可以具有低沸点。特别地，沸点可以低于130℃。例如，添加物可以包括单一组分。在一些实施例中，添加物可以包括至少两种组分的共沸混合物。共沸混合物具有可以与其各个组分的沸点不同的特性沸点。在该情况下，共沸混合物可以具有低沸点，特别是低于130℃。
超临界流体萃取工艺使得能够在萃取工艺期间将这些低沸点添加物留存在绕组中。相应地，低沸点添加物可以用于改进绕组的特性，并且特别是聚合物的特性。在标准蒸发工艺中，这类低沸点添加物将在该工艺期间被去除。
使用超临界流体萃取工艺一般使得能够将添加物以高量留存在绕组中，该添加物可以是低沸点添加物和/或较高沸点添加物。特别地，添加物可以至少以初始量（即，以萃取溶剂之前的量）的80 %的量保留在绕组中。这可以是萃取步骤之前分散体中或绕组元件中的初始量。在其它实施例中，添加物可以以较低的量（例如以50 %至75 %的量）保留在绕组中。例如，取决于工艺参数，该量可以在1 %和30 %之间。
在一个实施例中，添加物中的至少一种可以具有较高沸点，例如高于130℃的沸点。
具有低沸点的添加物可以由以下各项组成或包括它们：短链或中链烷基醇、低分子量酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯。例如，短链或中链烷基醇包括丁醇、异丙醇、不饱和醇（如烯丙醇）和品牌链醇（brand chain alcohols）（叔丁醇）。例如，具有较高沸点的添加物可以由特定的盐和聚合物组成或包括特定的盐和聚合物。特别地，这类添加物可以由以下各项组成或包括它们：多元醇、（一种或多种）聚亚烷基二醇，例如甘露醇、山梨醇、木糖醇和诸如PEG300-PEG2000之类的（一种或多种）聚乙二醇。
在另外的方面，本发明涉及一种通过上述方法制造的聚合物电容器。特别地，该聚合物电容器可以是包括聚合物和液体电解质的混合聚合物电容器。由于超临界流体萃取工艺，聚合物电容器可以包括添加物，该添加物在通过标准蒸发工艺制造的可比较的电容器中不存在。
根据另外的方面，本发明涉及一种聚合物电容器，其包括卷绕到绕组的阳极箔、阴极箔和分离箔。聚合物至少覆盖阳极箔。聚合物也可以位于阴极箔或分离箔上。电容器可以是混合聚合物电容器。
一种或多种添加物被分布在聚合物中。添加物可以最初被包含在包括溶剂和聚合物前体的分散体中。添加物中的至少一种可以具有低于130℃的沸点。电容器可以通过上面公开的方法制造。电容器、并且特别是添加物可以具有如结合所公开的方法描述的特性。
特别地，添加物中的至少一种可以由以下各项组成或包括它们：短链或中链烷基醇、低分子量酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯。
附加于或替代于低沸点添加物，电容器可以包括具有较高沸点的一种或多种添加物。添加物可以以高量而存在。
作为示例，具有低沸点的添加物中的至少一种的重量是绕组干重的至少0.2 %。在一些实施例中，该重量可以是绕组干重的至少30 %。绕组干重是在对任何种类的分散体、添加物和液体电解质的添加之前绕组的重量。
具有低沸点的添加物中的至少一种的重量可以至少与聚合物重量相同。在一些实施例中，该重量可以高达或多于聚合物重量的15倍。
附加地或替代地，具有低沸点的添加物中的至少一种的表面积可以是阳极箔的表面积的至少25 %。在一些实施例中，相对表面积可以是至少50 %。
高沸点添加物可以以绕组干重的至少2 %的重量存在。在一些实施例中，该重量可以高达或多于绕组干重的30 %。
本公开包括发明的若干方面。相对于该方法和电容器描述的每个特征在本文中也相对于另一方面被公开，即使在特定方面的上下文中没有明确提到相应的特征。
从以下结合各图对示例性实施例的描述中，另外的特征、改善和权宜变得清楚。
图1示意性地示出了聚合物电容器的结构，
图2示出了制造聚合物电容器的方法中的步骤，
图3示出了压力-温度相图，
图4示意性地示出了用于施行超临界流体萃取工艺的设备。
图1以部分未卷绕的视图示出了聚合物电容器1。电容器1包括阳极箔2、阴极箔3和介于之间的分离箔4。在该图中，仅示出了一个分离箔4。在阴极箔3和阳极箔2之间在箔2、3的另一侧存在另外的分离箔。箔2、3、4围绕公共轴而卷绕成绕组5。
绕组5可以位于罐（图中未示出）中。罐可以包括金属，诸如铝。
阳极箔2被第一接触结构6电气地接触。阴极箔3被第二接触结构7电气地接触。接触结构6、7中的每一个可以包括多个堆叠的接触元件8、9。接触结构6、7和多个接触元件8、9可以具有突片的形状。接触元件8、9延伸到绕组5的相对侧。特别地，第一接触结构6可以具有向上延伸的引出部10，并且第二接触结构7可以具有向下延伸的第二引出部11。此外，接触结构6、7位于绕组5的相对横向侧。通过使用形成第一接触结构6的多个第一接触元件8和形成第二接触结构7的多个第二接触元件9，可以减小绕组5的金属电阻。由此，减小电容器1的ESR。
替代地，接触结构6、7中的每一个可以由单个接触元件8、9形成。
阴极箔3可以在绕组5的轴向方向上具有延伸部12。特别地，阴极箔3可以轴向延伸超出阳极箔2。延伸部12可以电气地并且还机械地连接到罐的底部。附加地或替代地，阳极箔2可以在轴向方向上（例如在相对的轴向方向上）具有延伸部12。
阳极箔2可以包括被介电层、特别是氧化物层覆盖的铝箔。而且，阴极箔3可以包括被氧化物层覆盖的铝箔。分离箔4可以由纸材料形成。
阳极箔2、特别是形成在阳极箔2上的介电层被聚合物13覆盖。聚合物13是导电的，并用作固体电解质。聚合物13也可以被布置在阴极箔3和分离箔4上。可以通过用包含溶剂、聚合物前体和一种或多种添加物20的分散体浸渍绕组5来施加聚合物13。此后，萃取溶剂，并且聚合物前体聚合以形成聚合物13。添加物20分布在聚合的聚合物13中。
添加物20的功能可以是例如在聚合物颗粒之间改进聚合物13的相互连接。作为示例，添加物20可以加强次级化学键和分子间连接。由此，可以减小聚合物13的导电性，借此减小电容器1的ESR。
作为示例，低沸点添加物20中的至少一种的重量可以至少与聚合物13的重量相同。
添加物20可以包括以下或由其组成：具有低沸点的材料，例如短链或中链烷基醇、低分子量酯（< 200 g/mol）、乙酸乙酯或乙酸丙酯。例如，短链或中链烷基醇包括丁醇、异丙醇、不饱和醇（如烯丙醇）和品牌链醇（叔丁醇）。
添加物20可以包括至少两种组分的共沸混合物。共沸混合物不能通过蒸馏分离成其组分。共沸混合物具有可以与其各个组分的沸点不同的特性沸点。
除此之外，添加物20中的至少一种可以包括以下或由其组成：具有高沸点的材料，诸如特定的盐或聚合物。
附加地，绕组5可以用液体电解质浸渍。特别地，分离箔4可以用液体电解质浸渍。在该情况下，聚合物电容器1是混合聚合物电容器。
电容器1可以通过下文中描述的工艺来制造。
图2示出了制造聚合物电容器（诸如图1中所示的电容器1）的方法的流程图。
在步骤A中，阳极箔2、阴极箔3和分离箔4被制备并被卷绕成绕组5。在形成绕组5之前，一个或多个第一接触元件8可以附接到阳极箔2，并且一个或多个第二接触元件9可以附接到阴极箔3。
然后，在步骤B中，用包括溶剂和聚合物前体的分散体浸渍绕组5。分散体还可以包括一种或多种添加物20。溶剂可以包括水或者可以主要由水组成。
此后，在步骤C中，萃取溶剂，并从而部分地或完全地除去溶剂。溶剂的去除使得能够实现聚合物前体的聚合和聚合物13的相互连接。通过使用超临界流体萃取工艺来完成溶剂的萃取，在该超临界流体萃取工艺中，超临界流体用于萃取溶剂。
作为示例，将如二氧化碳（CO2）或氧化亚氮（N2O）的流体置于其超临界状态。
图3示出了描绘固相S、气相G、液相L和超临界流体相SCF的压力-温度相图。通过将温度T和压力P设置成高于临界温度TC和临界压力PC，超过了临界点C，并且将流体置于其超临界状态。作为示例，针对CO2的临界温度TC为31℃，并且临界压力PC为74巴。
超临界流体萃取工艺使得能够在低温（例如低于60℃的温度）下去除溶剂。附加地，超临界流体萃取工艺使得能够在不设置真空条件（< 1 atm）的情况下去除溶剂。此外，将超临界区域内的温度T和压力P调整到特定值使得能够选择性地萃取溶剂，而不同时萃取添加物20。
该工艺使得能够在聚合物分散体中使用具有低沸点的添加物20，借此添加物20在萃取工艺期间保留在绕组5中。作为示例，低沸点添加物20可以具有低于130℃的沸点。
此外，低工艺温度防止阳极箔2和阴极箔3被高温水、特别是蒸汽损坏，高温水可能在常规蒸发方法中产生并且可能导致箔2、3的退化。这类损坏可能导致阳极箔2和阴极箔3的电容和稳定性的改变，并且导致电容器1的寿命和电气性能的降低。超临界流体萃取使得能够保持阳极箔2和阴极箔3处于其状态，这确保电容器1的高寿命和良好的电气性能。
此外，超临界流体萃取使得能够将添加物20的量维持在初始水平处或在仅略微减小的水平处。相应地，所得电容器1可以包括高量添加物20，从而最大化聚合物13的导电性并减小电容器1的ESR。与此相反，由于高温和/或真空，常规蒸发方法将导致添加物的量的巨大损失。
返回到图2，在实施超临界流体萃取工艺之后，可以施行步骤D，其中步骤D包括用液体电解质浸渍绕组5以及电容器1的最终组装。
图4示出了用于在图2中描述的方法中施行超临界流体萃取工艺的示例性设备14。
设备14包括其中储存流体的储存槽15。流体可以处于其气相。例如，流体可以是CO2或N2O。流体被压缩机16压缩并泵入萃取室17中，在萃取室17中储存用分散体浸渍的绕组5。
通过T-P控制单元18，萃取室17中的温度T被设置为大于流体的临界温度TC的温度。萃取室17中的压力P被设置为大于流体的临界压力PC的压力。压力P可以由反压力调节器19调节，以确保设置最佳压力。特别地，压力和温度被设置成使得流体处于其超临界状态，并且水被选择性地从浸渍绕组5中萃取。由流量计21控制所萃取的溶剂和流体的流出量。
参考标号
1 电容器
2 阳极箔
3 阴极箔
4 分离箔
5 绕组
6 第一接触结构
7 第二接触结构
8 第一接触元件
9 第二接触元件
10 第一引出部
11 第二引出部
12 延伸部
13 聚合物
14 设备
15 储存槽
16 压缩机
17 萃取室
18 T-P控制单元
19 反压力调节器
20 添加物
21 流量计
T 温度
P 压力
Claims (14)
1.一种制造聚合物电容器的方法，
所述方法包括：
卷绕阳极箔（2）、阴极箔（3）和分离箔（4）以形成绕组（5），
用包括溶剂和聚合物前体的分散体浸渍绕组（5），
通过超临界流体萃取从绕组（5）中萃取溶剂。
2.根据权利要求1中任一项所述的方法，
其中超临界流体萃取在低于60℃的温度（T）下和高于1 atm的压力（P）下施行。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在超临界流体萃取期间，温度（T）和压力（P）被设置为使得溶剂被选择性地从绕组（5）中萃取的值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中分散体还包括一种或多种添加物（20）。
5.根据权利要求4所述的方法，其中添加物（20）中的至少一种具有低于130℃的沸点。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中添加物（20）中的至少一种包括至少两种组分的共沸混合物。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中添加物（20）中的至少一种包括短链或中链烷基醇、低分子量酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，
其中添加物（20）中的至少一种至少以分散体中初始量的30 %的量保留在绕组中。
9.一种通过前述权利要求中任一项所述的方法制造的聚合物电容器。
10.一种聚合物电容器，包括卷绕到绕组（5）的阳极箔（2）、阴极箔（3）和分离箔（4），
其中阳极箔（2）被聚合物（13）覆盖，其中一种或多种添加物（20）分布在聚合物（13）中，其中添加物（20）中的至少一种具有低于130℃的沸点。
11.根据权利要求10所述的聚合物电容器，其中添加物（20）中的至少一种包括短链或中链烷基醇、低分子量酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的聚合物电容器，
其中添加物（20）中的至少一种的重量至少与聚合物（13）的重量相同。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的聚合物电容器，其中添加物（20）中的至少一种的表面积是阳极箔（2）的表面积的至少25 %。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的聚合物电容器，
还包括液体电解质。
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