CN113611538A - 一种粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法，包括粉体电芯、高分子聚合物层、金属铝壳、以及封装于金属铝壳一端的封装盖板；其中，所述粉体电芯由有机粉末与铝粉掺杂混合并高温碳化后所得，粉体电芯包括有铝粉颗粒以及由有机粉末碳化得到的活性碳颗粒；所述铝粉颗粒的铝晶界中渗透有碳晶体的碳须，多个铝粉颗粒之间具有不规则的间隙，铝粉颗粒的表面形成有氧化膜；所述高分子聚合物层设置在粉体电芯与金属铝壳之间，高分子聚合物层的表面设置负极箔。本发明粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法可大大提升电容器的性能。
Description
技术领域
本发明属于电容器技术领域，尤其涉及一种粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法。
背景技术
电容器具有储备电能并瞬间释放的功能，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。电容广泛应用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中，为现代电子技术的迅猛发展做出不可磨灭的贡献，还广泛应用于家电产品及电脑等电子设备，是电器电子业界不可替代的电子部件。
在电容器中，铝电解电容器是最常用的器件，铝电解电容器一般包括有阳极箔、阴极箔以及电解纸，阳极箔、阴极箔以及电解纸卷绕在一起形成电容器芯包。目前，阳极箔大多采用的是腐蚀箔，腐蚀箔虽然可以增加阳极箔的表面积，但是增加的面积有限，对铝电解电容器最终的性能提升有限。
随着粉末冶金技术趋于成熟，在众多的金属零部件粗胚制取工艺中均有使用，一般都是单质金属或者是合金金属，且加工工艺成熟，粉末被挤压成型后，于高温真空中煅烧至结晶状态或晶界趋于稳定状态，再降温精加工，工艺高效且高质量，附加值高。因此，若能将此加工工艺结合到铝电解电容器的电极生产中，则将大大提升铝电解电容器的性能。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种粉体电芯固态高分子电容器，包括粉体电芯、高分子聚合物层、金属铝壳、以及封装于金属铝壳一端的封装盖板；其中，所述粉体电芯由有机粉末与铝粉掺杂混合并高温碳化后所得，粉体电芯包括有铝粉颗粒以及由有机粉末碳化得到的活性碳颗粒；所述铝粉颗粒的铝晶界中渗透有碳晶体的碳须，多个铝粉颗粒之间具有不规则的间隙，铝粉颗粒的表面形成有氧化膜；所述高分子聚合物层设置在粉体电芯与金属铝壳之间，高分子聚合物层的表面设置负极箔。
在一些实施例中，所述高分子聚合物层包括有导电高分子材料颗粒，所述导电高分子材料颗粒以沉浸式包覆在活性炭颗粒与铝粉颗粒外面，并与金属铝壳键合成为固体负极。
在一些实施例中，所述粉体电芯还包括有导电金属导针，导电金属导针包括有铝舌以及引出导针，所述铝舌埋设在所述铝粉颗粒中，所述引出导针用于作为电容器的正极。
在一些实施例中，所述铝粉颗粒的表面形成有氧化膜，铝粉颗粒的大小为3nm-0.5mm。
在一些实施例中，所述铝粉颗粒大于所述活性碳颗粒，所述活性碳颗粒大于所述导电高分子材料颗粒。
在一些实施例中，所述负极箔为腐蚀箔、碳须箔或者超级电容极板。
本发明实施例另一技术方案为：
一种粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，包括如下步骤：
S1、提供粉体电芯，其中所述粉体电芯为将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，并真空高温碳化所得；
S2、进行电化学赋能，得到电芯本体；
S3、对电芯本体进行封装，得到粉体电芯固态高分子电容器。
在一些实施例中，步骤S1包括：
S10、将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，得到混合粉体；
S11、对所述混合粉体进行压铸成型，得到由丸粒构成的电芯铸体；
S12、对压铸成型的电芯铸体进行真空高温碳化，然后氧化，在电芯铸体的表面形成有氧化膜，得到粉体电芯。
在一些实施例中，步骤S2中还包括：对粉体电芯进行浸润填充高分子聚合物，形成高分子聚合物层，并在高分子聚合物层的表面设置负极箔，以引出电容器的阴极。
在一些实施例中，所述有机粉末为淀粉。
本发明技术方案的有益效果是：
相较于现有技术，本发明粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法可大大提升电容器的性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例粉体电芯固态高分子电容器的示意图；
图2是图1的分解示意图；
图3是图1的粉体电芯的示意图；
图4是本发明另一个实施例粉体电芯固态高分子电容器的示意图；
图5是图4的另一角度示意图；
图6是发明另一个实施例粉体电芯固态高分子电容器的制造方法流程图示。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，“多个”的含义是两个或两个以上，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1-图3所示，作为本发明一实施例一种粉体电芯固态高分子电容器100，包括粉体电芯10、高分子聚合物层20、金属铝壳30、以及封装于金属铝壳30一端的封装盖板40；其中，所述粉体电芯10由有机粉末与铝粉掺杂混合并高温碳化后所得，粉体电芯10包括复数个铝粉颗粒101以及有机粉末碳化得到的活性碳颗粒102，每个所述铝粉颗粒101的铝晶界中渗透有碳晶体的碳须，多个铝粉颗粒101之间具有不规则的间隙，铝粉颗粒101的表面形成有氧化膜；所述高分子聚合物层20设置在粉体电芯10与金属铝壳30之间，高分子聚合物层20的表面设置负极箔。
具体的，所述粉体电芯10还包括有导电金属导针103，导电金属导针103包括有铝舌1031以及引出导针1032，所述铝舌1031埋设在所述铝粉颗粒101中，所述引出导针1032用于作为粉体电芯固态高分子电容器100的正极。所述引出导针103为直线型，用于直插式安装；参照图4、图5所示，作为本发明另一实施例，所述引出导针103为折弯型，用于SMT方式安装。
在一些实施例中，所述高分子聚合物层20包括有导电高分子材料颗粒201，所述导电高分子材料颗粒201以沉浸式包覆在活性炭颗粒102与铝粉颗粒101外面，并与金属铝壳30键合成为固体负极。在一些实施例中，所述铝粉颗粒101大于所述活性碳颗粒102，所述活性碳颗粒102大于所述导电高分子材料颗粒201。
具体的，所述金属铝壳30的一端设置有开口，安装有金属导针1032的粉体电芯10通过所述开口放置于铝壳30内；铝壳30的另一端被密封住，且在密封的一端引出有阴极导针31。在一些实施例中，所述粉体电芯10为方形，对应于所述粉体电芯10，所述铝壳30为方形；可以理解的是，在其他一些实施例中，所述粉体电芯也可以为其他形状，在本发明实施例中不作特别限制。
所述金属铝壳30与粉体电芯10之间填充有导电高分子材料颗粒，在一些实施例中，所述导电高分子材料颗粒为高分子导电聚合物，高分子导电聚合物聚合反应后与铝壳结合为一体。
在一些实施例中，所述铝粉颗粒的表面形成有氧化膜，铝粉颗粒的大小为3nm-0.5mm。
在一些实施例中，所述负极箔为腐蚀箔、碳须箔或者超级电容极板。在一些实施例中，负极箔上设置有导针或者集流箔体，以引出电容器的阴极。
参照图6所示，作为本发明另一实施例，提供一种粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，包括如下步骤：
S1、提供粉体电芯，其中所述粉体电芯为将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，并真空高温碳化所得；
具体地，包括如下步骤：
S10、将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，得到混合粉体；
其中，所述铝粉和有机粉末的颗粒大小为3nm-0.5mm；在一实施例中，通过湿法掺杂工艺对所述铝粉与有机粉末进行掺杂均匀混合，得到混合粉体；具体的，通过溶剂将铝粉与有机粉末混合，然后将溶剂快速析出并烘干得到铝粉与有机粉末的混合物，将所述混合物进行打磨成粉，得到混合粉体。
在一实施例中，通过干法掺杂工艺所述铝粉与有机粉末进行掺杂均匀混合；具体的，将铝粉与有机粉末直接经过混合器进行搅拌、震动混合，有机粉吸附到铝金属颗粒上得到混合粉体，再通过混合粉体收集器收集打包。干法掺杂工艺过程污染程度小，分散较为充分。在一些实施例中，所述有机粉末为淀粉(无卤素、无面筋)粉末。
S11、对所述混合粉体进行压铸成型，得到由丸粒构成的电芯铸体；
具体的，将集流体置入预先制作好的电芯模具中，其中，所述集流体包括导电金属导针、导箔等；以集流体为导电金属导针为例进行说明，将导电金属导针置入预先制作好的电芯模具中，在电芯模具中填充所述混合粉体，以将金属导针的铝舌包住，然后通过高压对混合粉体进行压铸，得到由混合粉体的丸粒构成的电芯铸体。
其中，混合粉体在高压下，压力转换为热量，混合粉体中的有机物粉末会发生碳化，铝粉则会出现重新结晶与析出现象，从而导致混合粉体产生质变，所以进行高压对混合粉体进行压铸过程中，需要对压力的精度进行严格控制，压力的精度要求高；在一些实例中，步骤S11中还包括有对混合粉体的压铸进行实时监测，根据监测的信息对压力进行控制，确保混合粉体中的有机粉末无碳化现象发生。
S12、对压铸成型的电芯铸体进行真空高温碳化，然后氧化，在电芯铸体的表面形成有氧化膜，得到粉体电芯；
在一些实施例中，对压铸成型的电芯铸体进行真空高温碳化，具体的，电芯铸体排盘放入石墨模具槽穴中，放入碳化工艺炉中进行高温烘烤，其中烘烤温度为180℃-350℃，烘烤时间为1-10小时；对有机粉末进行高温真空碳化，碳晶体的碳须生长渗透进铝晶界中，并完成固晶(对铝晶界间隙)填充，这个过程后，碳须和碳晶成为阴极导电解质附着并与吸附的主体存在，通过与金属导体的连接，形成良好的阴极。
在一些实施例中，对压铸成型的电芯铸体进行高温真空碳化及石墨烯生成，具体的，电芯铸体排盘放入石墨模具槽穴中，放入碳化工艺炉中进行高温真空烘烤碳化，其中烘烤温度为180℃-350℃，烘烤时间为1-10小时。转入高温高压CVD真空炉中，进行石墨烯生成工艺，具体的，在600℃-680℃温度中进一步于真空碳化后碳晶体的碳须中生长导电石墨烯管，形成高导电性阴极，并完成固晶(对铝晶界间隙)填充。其中，碳须、碳晶、石墨烯管三者组成的导电体直接成为阴极低电导率电解质附着与吸附的主体存在，在后续的阴极引出中起到对阳极的表面诱电作用，并与金属导体连接，形成良好的阴极。
S2、进行电化学赋能，得到电芯本体；
对步骤S12中得到的粉体电芯进行化成，得到电芯本体；具体的，对碳化后的有机粉末形成的灰粉进行溶解析出，然后进行电化学赋能。具体的，将步骤S12中得到的粉体电芯经过乙醇浸泡超声波清洗，对高温碳化过程中有机粉末火化形成的灰粉进行熔解析出，然后进行电化学赋能。在一些实施例中，电化学赋能过程为将粉体电芯在己二酸、硼酸、或者是二者混合的酸类溶液中通电氧化，生长成α晶相三氧化二铝介质膜，其中，介质膜的膜厚度决定耐电压与比容。赋能电流大小为粉体电芯载流极限能力的5％-30％，赋能电压不设上限，在实际应用中取3VDC-2000VDC施电压。需要说明的是，赋能过程中，粉体电芯的体积会有膨胀现象，这是由于氧化膜的生长撑大了粉体电芯，也是粉体电芯化阳极的比容最大化的过程。在一些实施例中，S2中还包括：对粉体电芯进行浸润填充高分子聚合物，形成高分子聚合物层，并在高分子聚合物层表面设置负极箔，以引出电容器的阴极。其中，所述负极箔为腐蚀箔、碳须箔或者超级电容极板。在一些实施例中，负极箔上设置有导针或者集流箔体，以引出电容器的阴极。
S3、对电芯本体进行封装，得到粉体电芯固态高分子电容器；
具体的，提供金属铝壳，于电芯本体表面包裹高分子导电聚合物，装入金属铝壳，在金属铝壳内填充导电高分子材料，高分子导电聚合物聚合反应后与铝壳结合为一体，形成电容器的阴极及引出金属电极；最后通过环氧树脂封装正极端面，或者用橡胶粒封装正极端面，正极端子过度段包裹在密封胶头中；从正、负极引出金属用电阻焊延引出各种脚型端子，得到粉体电芯固态高分子电容器。
可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明创作所作的进一步详细说明，不能认定本发明创作的具体实施只局限于这些说明。对于本发明创作所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创作构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本专利的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明创作的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本发明创作的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制作、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制作、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制作、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。
Claims (10)
1.一种粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于，包括粉体电芯、高分子聚合物层、金属铝壳、以及封装于金属铝壳一端的封装盖板；其中，所述粉体电芯由有机粉末与铝粉掺杂混合并高温碳化后所得，粉体电芯包括有铝粉颗粒以及由有机粉末碳化得到的活性碳颗粒；所述铝粉颗粒的铝晶界中渗透有碳晶体的碳须，多个铝粉颗粒之间具有不规则的间隙，铝粉颗粒的表面形成有氧化膜；所述高分子聚合物层设置在粉体电芯与金属铝壳之间，高分子聚合物层的表面设置负极箔。
2.如权利要求1所述的粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于：所述高分子聚合物层包括有导电高分子材料颗粒，所述导电高分子材料颗粒以沉浸式包覆在活性炭颗粒与铝粉颗粒外面，并与金属铝壳键合成为固体负极。
3.如权利要求2所述的粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于：所述粉体电芯还包括有导电金属导针，导电金属导针包括有铝舌以及引出导针，所述铝舌埋设在所述铝粉颗粒中，所述引出导针用于作为电容器的正极。
4.如权利要求3所述的粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于：所述铝粉颗粒的表面形成有氧化膜，铝粉颗粒的大小为3nm-0.5mm。
5.如权利要求4所述的粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于：所述铝粉颗粒大于所述活性碳颗粒，所述活性碳颗粒大于所述导电高分子材料颗粒。
6.如权利要求3所述的粉体电芯固态高分子电容器，其特征在于：所述负极箔为腐蚀箔、碳须箔或者超级电容极板。
7.一种粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供粉体电芯，其中所述粉体电芯为将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，并真空高温碳化所得；
S2、进行电化学赋能，得到电芯本体；
S3、对电芯本体进行封装，得到粉体电芯固态高分子电容器。
8.如权利要求7所述的粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，其特征在于，步骤S1包括：
S10、将有机粉末与铝粉进行掺杂混合，得到混合粉体；
S11、对所述混合粉体进行压铸成型，得到由丸粒构成的电芯铸体；
S12、对压铸成型的电芯铸体进行真空高温碳化，然后氧化，在电芯铸体的表面形成有氧化膜，得到粉体电芯。
9.如权利要求7所述的粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，其特征在于，步骤S2中还包括：对粉体电芯进行浸润填充高分子聚合物，形成高分子聚合物层，并在高分子聚合物层的表面设置负极箔，以引出电容器的阴极。
10.如权利要求7所述的粉体电芯固态高分子电容器的制造方法，其特征在于，所述有机粉末为淀粉。
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|---|---|---|---|
| CN202110945257.4A CN113611538A (zh) | 2021-08-17 | 2021-08-17 | 一种粉体电芯固态高分子电容器及其制造方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023019850A1 (zh) * | 2021-08-17 | 2023-02-23 | 深圳江浩电子有限公司 | 一种铝电解电容器及其制作方法 |
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2021
- 2021-08-17 CN CN202110945257.4A patent/CN113611538A/zh active Pending
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