CN112563031B - 一种耐充放电的固态铝电解电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐充放电的固态铝电解电容器，包括阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成的芯包；芯包上形成有导电高分子聚合物后在阳极箔与导电高分子聚合物之间、阴极箔与导电高分子聚合物之间以及导电高分子本身的缝隙内填充有聚碳酸亚丙酯。在本发明中，芯包上形成有导电高分子聚合物后，在导电高分子与阳极箔、阴极箔的间隙上还含浸有聚碳酸亚丙酯，由于聚碳酸亚丙酯是呈半固体的，会对导电聚合物的收缩起到一定的支撑作用，从而提高固态铝电解电容器的循环性性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝电解电容器，尤其涉及一种提高静电容量和耐充放电的固态铝电解电容器及其制备方法。
背景技术
铝电解电容器的阳极是由铝金属组成，在阳极箔的表面形成有很多腐蚀坑，并且阳极箔的表面形成有电介质氧化膜，也就是氧化铝膜。与氧化膜接触的导电性电解质，在电解电容器中承担着真正阴极的角色。作为电容器真正的阴极，电解质的好坏极大的影响铝电解电容器的电气性能。
为了谋求铝电解电容器的大容量，在阳极箔和阴极箔之间夹入电解纸一起卷绕形成芯包；固态铝电解电容器在电解纸上吸附着具有导电性的高分子聚合物。
传统的固态铝电解电容器是在芯包上直接含浸导电高分子聚合物或者含浸单体和氧化剂，例如3，4-乙烯二氧噻吩和对甲苯磺酸铁，进行聚合反应形成导电高分子聚合物。形成高分子导电聚合物后，随着电容器充放电的进行，从导电高分子聚合物上脱掺杂的掺杂剂，以及由于掺杂剂分解的酸（例如从对甲苯磺酸产生的硫酸）会腐蚀氧化膜，导致电容器的电性能产生问题。
通过传统方法形成的导电高分子聚合物呈薄膜状，尤其是在分散液挥发后，这个导电高分子聚合物内是存在间隙，同时导电高分子聚合物与阳极箔以及阴极箔之间也是存在间隙的；电容器因热应力，以及反复的充电和放电，高分子导电聚合物会反复的收缩，时间长了导电高分子聚合物会从阳极箔和阴极箔上剥离，并且这个作用是不可逆的，这就容易造成电容量减小等电性能缺陷。
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，提供一种耐充放电，耐高温并且稳定性好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：一种耐充放电的固态铝电解电容器，包括阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成的芯包；所述芯包上形成有导电高分子聚合物后在阳极箔与导电高分子聚合物之间、阴极箔与导电高分子聚合物之间以及导电高分子本身的缝隙内填充有聚碳酸亚丙酯。本发明中阳极箔采用铝箔，电解纸为天然纤维的布织物、合成纤维的布织物、纤维状耐热的合成纤维组成的布与绸，或者尼龙、聚丙烯腈的纳米纤维组成的布与绸。
本发明中，所述芯包上聚碳酸亚丙酯被氧化。
在本发明中，所述聚碳酸亚丙酯上混合有石墨烯。
本发明中，所述高分子导电聚合物包括聚噻吩及其衍生物或者聚苯铵及其衍生物。
一种耐充放电的固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤，
1）将聚碳酸亚丙酯均匀分散在分散液中，在分散液中聚碳酸亚丙酯的重量浓度为0.5%-10%；备用；
2）芯包含浸含有导电高分子聚合物的分散液，并且干燥去除分散液；或者在芯包上含浸单体和氧化剂，进行聚合反应在芯包上形成导电高分子聚合物；
3）将步骤2）的芯包含浸步骤1）得到的分散液；并且干燥。
本发明汇总，所述步骤2）中含有导电高分子聚合物的分散液中，导电高分子聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸；对甲苯乙烯磺酸的摩尔量是大于在分散液中相对于导电高分子单体的摩尔量的。
本发明中，所述步骤1）的分散液中，掺杂有聚碳酸亚丙酯重量0.5%-5%的石墨烯。
在本发明中，芯包上形成有导电高分子聚合物后，在导电高分子与阳极箔、阴极箔的间隙上还含浸有聚碳酸亚丙酯，由于聚碳酸亚丙酯是呈半固体的，会对导电聚合物的收缩起到一定的支撑作用。同时当铝电解电容器在反复充放电的过程中脱掺杂的掺杂剂以及掺杂剂产生的酸，聚碳酸亚丙酯会起到一定的阻挡作用。我们知道聚碳酸亚丙酯的耐酸性是很强的，在高分子导电聚合物与阳极箔之间的间隙中填充有聚碳酸亚丙酯，这样聚碳酸亚丙酯对酸起到一定的阻挡作用，从而延长电容器的使用寿命。
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
本实施例提供一种耐充放电的固态铝电解电容器，包括阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成的芯包；所述芯包上形成有导电高分子聚合物后在阳极箔与导电高分子聚合物之间、阴极箔与导电高分子聚合物之间以及导电高分子本身的缝隙内填充有聚碳酸亚丙酯。
在本实施例中，电解纸采用天然纤维的布织物、合成纤维的布织物、纤维状耐热的合成纤维组成的布与绸，或者尼龙、聚丙烯腈的纳米纤维组成的布与绸。阴极箔可以与阳极箔一样，也可以采用没有经过腐蚀处理的平板面箔。从阳极箔和阴极箔上分别引出阳极引线和阴极引线。在本实施例中，具体的导电高分子聚合物采用PEDOT：PSS。
在本实施例中，将聚碳酸亚丙酯用导电聚合物的掺杂剂进行氧化，例如对甲苯磺酸，经过氧化后的聚碳酸亚丙酯的热稳定性提高，使得其热分解温度上升，这样能够在一定程度上提高铝电解电容器的使用温度。聚碳酸亚丙酯（PPC）分子链的端羟基会影响其热稳定性，在高温条件下羟基会引起酯类醇解而发生“解拉链式”降解反应。在本实施例中，氧化剂的存在能够消耗一部分聚碳酸亚丙酯分子链的端羟基从而提高聚碳酸亚丙酯的热稳定性。
同时在本实施例中，掺杂有聚碳酸亚丙酯重量5%-10%的石墨烯，石墨烯的加入能够提高铝电解电容器的散热性，同时石墨烯的掺杂也可以提高聚碳酸亚丙酯的热稳定性。实际上，石墨烯提高聚碳酸亚丙酯的热稳定性就是由于石墨烯的加入提高了聚碳酸亚丙酯的散热性。在实验室条件下，加入石墨烯的量为聚碳酸亚丙酯重量的0.75%的时候，聚碳酸亚丙酯的热分解温度T5%和T50分别提高16摄氏度和26摄氏度。经过试验还得到，加入氧化石墨烯的时候这种效果会更好，加入聚碳酸亚丙酯重量的2%的氧化石墨烯后聚碳酸亚丙酯的热分解温度T5%和T50分别提高19摄氏度和56摄氏度；同时聚碳酸亚丙酯的抗拉伸强度比纯的聚碳酸亚丙酯提高2-3倍。
在本实施例中，还提供一种耐充放电的固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤：/1）将聚碳酸亚丙酯均匀分散在分散液中，在分散液中聚碳酸亚丙酯的重量浓度为0.5%-10%；备用；在步骤1）中还加入聚碳酸亚丙酯重量2%的氧化石墨烯。
在本实施例中，分散液采用丙酮或者乙酸乙酯，因为聚碳酸亚丙酯易溶于丙酮或者乙酸乙酯，这样对于芯包的含浸有很大的好处；尤其是丙酮，其在低温度下易挥发，给后续去除溶剂是有很大的帮助的。
2）芯包含浸含有导电高分子聚合物的分散液，并且干燥去除分散液；或者在芯包上含浸单体和氧化剂，进行聚合反应在芯包上形成导电高分子聚合物。
在本实施例中，导电高分子聚合物采用的是PEDOT：PSS；具体的讲PEDOT的单体为3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT），充当掺杂剂的为PSS，其单体为对甲苯乙烯磺酸（SS）。在本实施例中，掺杂剂的摩尔量大于聚合单体的摩尔量，也就是说在分散液中含有过量的对甲苯乙烯磺酸，其中对甲苯乙烯磺酸的摩尔量为聚合单体（EDOT）摩尔量的1.5-5倍为最好，本实施例为4倍；过量的对甲苯乙烯磺酸可以消耗一部分聚碳酸亚丙酯分子链的端羟基，从而增强聚碳酸亚丙酯的热稳定性。在本实施例中，分散液可以是水。
在本实施例中，当采用在芯包上进行聚合反应的方式形成导电高分子聚合物，聚合单体采用3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT），氧化剂采用对甲苯磺酸铁；采用这种方式只要保证氧化剂是过量的就可以了。
3）将步骤2）的芯包含浸步骤1）得到的分散液；并且干燥。干燥后，聚碳酸亚丙酯在导电高分子聚合物内部的间隙，以及导电高分子与阳极箔和阴极箔的间隙当中。因为聚碳酸亚丙酯的热稳定性不好，所以在干燥的时候，温度控制在90摄氏度以下为宜。
为了验证本实施例的效果，设置了对比例1和对比例2，在对比例1中除了没有含浸聚碳酸亚丙酯和石墨烯以外，其他的与实施例1相同；在对比例2中除了没有含浸聚碳酸亚丙酯意外，其他的与实施例1相同。
| 序号 | 电容量（μF） | ESR（mΩ） | 15000次循环后容量保持率（%） | 1000小时后容量变化率（%） |
| 实施例1 | 221 | 25.4 | 96.4 | 3.2 |
| 对比例1 | 157 | 19.6 | 92.1 | -5.2 |
| 对比例2 | 162 | 18.5 | 92.5 | -3.9 |
由上表可以看出，在充放电实验（5秒充电，5秒放电，12V，15000个循环）中本实施例的循环稳定性好，也就是耐充放电性能好。在稳定性实验中（100℃，1000小时）稳定性是差不多的，但是当温度提高到120摄氏度以后，实施例1的稳定性就要明显的低于对比例2和对比例3，所以本实施例的固态铝电解电容器不适合在高温环境下使用。
为了验证氧化石墨烯的效果，设置了对比例4，对比例4除了没有添加石墨烯意外，其他的与实施例1相同。
| 序号 | 电容量（μF） | ESR（mΩ） | 1000小时后容量变化率（%） |
| 实施例1 | 221 | 25.4 | 3.2 |
| 对比例4 | 149 | 36.6 | -12.8 |
由上表可以看出，石墨烯的添加可以优化在固态铝电解电容器中聚碳酸亚丙酯的电性能，一个是降低聚碳酸亚丙酯的电阻，另一个是提高聚碳酸亚丙酯的热稳定性。
Claims (7)
1.一种耐充放电的固态铝电解电容器，其特征在于：包括阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成的芯包；所述芯包上形成有导电高分子聚合物后在阳极箔与导电高分子聚合物之间、阴极箔与导电高分子聚合物之间以及导电高分子聚合物本身的缝隙内填充有聚碳酸亚丙酯；芯包上聚碳酸亚丙酯被氧化。
2.根据权利要求1所述的耐充放电的固态铝电解电容器，其特征在于：所述聚碳酸亚丙酯上混合有石墨烯。
3.根据权利要求1所述的耐充放电的固态铝电解电容器，其特征在于：所述导电高分子聚合物包括聚噻吩及其衍生物或者聚苯胺及其衍生物。
4.根据权利要求1所述的耐充放电的固态铝电解电容器，其特征在于：所述电解纸包括天然纤维的布织物、合成纤维的布织物、纤维状耐热的合成纤维组成的布与绸，或者尼龙、聚丙烯腈的纳米纤维组成的布与绸。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的耐充放电的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）将聚碳酸亚丙酯均匀分散在分散液中，在分散液中聚碳酸亚丙酯的重量浓度为0.5%-10%；备用；
2）芯包含浸含有导电高分子聚合物的分散液，并且干燥去除分散液；或者在芯包上含浸单体和氧化剂，进行聚合反应在芯包上形成导电高分子聚合物；
3）将步骤2）的芯包含浸步骤1）得到的分散液；并且干燥。
6.根据权利要求5所述的耐充放电的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中含有导电高分子聚合物的分散液中，导电高分子聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸；对甲苯乙烯磺酸的摩尔量是大于在分散液中相对于导电高分子单体的摩尔量的。
7.根据权利要求5所述的耐充放电的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤1）的分散液中，掺杂有聚碳酸亚丙酯重量0.5%-5%的石墨烯。
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