CN115172055B - 一种基于掺杂pedot:pss的固态铝电解电容器及制备方法 - Google Patents

一种基于掺杂pedot:pss的固态铝电解电容器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,包括芯包和外壳,芯包通过橡胶塞密封设置在外壳内;芯包内形成有导电高分子聚合物薄膜,导电高分子聚合物薄膜为经过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜。在本发明中通过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点对PEDOT:PSS薄膜掺杂,使得PEDOT和PSS之间的静电相互作用消弱,从而重新调整PEDOT和PSS之间的分子相互作用;使得固态电容器的内阻降低,并且固态铝电解电容器的电容引出率得到一定的提高。

Description

一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种固态铝电解电容器,尤其涉及一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器及制备方法。
背景技术
电容器是电子工业的三大基本元器件之一,广泛应用于各类电子产品中。目前,液态电解电容器在市场上占主导地位,占据了电容器市场的大部分份额。但是,由于电子科学技术的发展,电子产品向高频化、小型化、高可靠度方向发展,对电容器性能,特别是在高频、 高低温下的性能的要求也相应提高。
由于液态电解电容器是使用电解液作为电解质,随着使用时间的推移,以及使用温度的升高, 液态电解电容器的电解液逐渐挥发,从而使其容量降低,阻抗增大。固态电解电容器是由液态电解电容器发展而来的一种新型电解电容器, 它将液态电容器中的电解液替换为高分子导电聚合物,解决了一些困扰着液态电解电容器的难题,特别是寿命短、耐高温、低温性能差以及稳定性差的问题,在高温环境下,其容量变化的速度远远小于液态电容器。
随着固态铝电解电容器电解质的发展,目前电解质采用高分子导电聚合物,例如PEDOT和PEDOT:PSS。因为在芯包内形成PEDOT的时候会对阳极箔的氧化膜形成一定的腐蚀,故现在很多企业采用PEDOT:PSS。例如专利201610302908.7,公开的一种新型固态电容器及其生产方法。但是PEDOT:PSS薄膜的电导率比PEDOT薄膜要低至少一个数量级,从而使得固态铝电解电容器的内阻高;并且PEDOT:PSS薄膜的电导率分布不均匀,使得固态铝电解电容器的电容引出率不理想。
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,提供一种内阻较低并且电容引出率较高的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器及制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,包括芯包和外壳,所述芯包通过橡胶塞密封设置在外壳内;所述芯包内形成有导电高分子聚合物薄膜,所述导电高分子聚合物薄膜为经过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜。
上述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,优选的,所述氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点在PEDOT:PSS薄膜中的重量占比为1%-5%。
上述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,优选的,所述芯包含浸多次PEDOT:PSS分散液并且烘干形成PEDOT:PSS薄膜;第一次含浸的是经过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS分散液,第N+1次含浸的是PEDOT:PSS分散液,N≤4。
一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,包括以下步骤,1)分别制备氮掺杂碳量子点和氧化碳量子点待用;
2)将PEDOT:PSS加入在分散液中并且分散均匀形成PEDOT:PSS分散液,PEDOT:PSS在分散液中的重量在5%以下;
3)将步骤1)制备的氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点加入到步骤2)中的分散液中并且分散均匀;
4)芯包含浸步骤3)的分散液,烘干在芯包内形成氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜;
5)将完成步骤4)的芯包入壳,密封形成固态铝电解电容器。
上述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,优选的,所述步骤4)重复进行2-5次。
上述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,优选的,在步骤4)完成之后再含浸步骤2)的PEDOT:PSS分散液2-5次。
上述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,优选的,所述氮掺杂碳量子点的制备方法包括以下步骤:
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
将富马腈加入到四氢呋喃溶液中超声分散均匀;每100mg富马腈对应加入到2-5mL的四氢呋喃溶液中;
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
将步骤
Figure 179784DEST_PATH_IMAGE002
的分散液在150-250℃的温度下,热处理30-60分钟;
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
用孔径为0.3μm-0.5μm的过滤膜过滤步骤
Figure 702557DEST_PATH_IMAGE004
的材料,将得到的液体离心,固液分离;将固体重新分散在甲醇溶液中,蒸发甲醇得到氮掺杂碳量子点粉末。
与现有技术相比,本发明的优点在于:在本发明中通过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点对PEDOT:PSS薄膜掺杂,使得PEDOT 和 PSS 之间的静电相互作用消弱,从而重新调整PEDOT 和 PSS 之间的分子相互作用;使得固态电容器的内阻降低,并且固态铝电解电容器的电容引出率得到一定的提高。
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
一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,包括芯包和外壳,芯包通过橡胶塞密封设置在外壳内;芯包内形成有导电高分子聚合物薄膜,导电高分子聚合物薄膜为经过氮掺杂碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜。氮掺杂碳量子点在PEDOT:PSS薄膜中的重量占比为3%。
在本实施例中,在芯包内形成PEDOT:PSS薄膜的时候,含浸了3次PEDOT:PSS的分散液,第一次含浸的PEDOT:PSS分散液中加入有氮掺杂碳量子点,第二次和第三次含浸的PEDOT:PSS的分散液均没有进行掺杂。在本实施例中,含浸3次PEDOT:PSS的分散液是为了在芯包内形成足够多的高分子导电聚合物,以降低固态铝电解电容器的内阻和提高电容的引出率。
氮掺杂碳量子点能够消弱PEDOT 和 PSS 之间的静电相互作用,在固态铝电解电容器的充放电循环的时候会有部分PSS从PEDOT上脱嵌出来形成磺酸从而对阳极箔氧化膜产生一定的腐蚀,从而提高了漏电流,故在本实施例中氮掺杂碳量子点对PEDOT:PSS的掺杂量不能过多,氮掺杂碳量子点在PEDOT:PSS薄膜中的重量占比为3%最好。
在本实施例中,在3次含浸PEDOT:PSS分散液中,只有第一次含浸的PEDOT:PSS分散液进行了氮掺杂碳量子点的掺杂,这样在第二次和第三次含浸的PEDOT:PSS分散液形成的薄膜中PSS不容易从PEDOT链中脱嵌出来,从而在一定程度上减少磺酸的产生。在第一次含浸的PEDOT:PSS分散液进行了氮掺杂碳量子点的掺杂,能够降低PEDOT:PSS分散液的粘度,从而使得PEDOT:PSS分散液能够尽可能的到达芯包的深处,有利于提高固态铝电解电容器的电容引出率;同时氮掺杂碳量子点杂化的PEDOT:PSS表面更加均匀,这也有利于降低固态电容器的内阻,提高固态铝电解电容器的电性能。也就是说在本实施例中,对PEDOT:PSS薄膜进行氮掺杂碳量子点掺杂后,会对固态铝电解电容器的循环性能产生一定影响,但是能够降低固态铝电解电容器的内阻,提高固态铝电解电容器的电容引出率。
本实施例还提供一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,包括以下步骤:
1)制备氮掺杂碳量子点;
Figure 2082DEST_PATH_IMAGE002
将富马腈加入到四氢呋喃溶液中超声分散均匀;每100mg富马腈对应加入到3mL的四氢呋喃溶液中;
Figure 94717DEST_PATH_IMAGE004
将步骤
Figure 145106DEST_PATH_IMAGE002
的分散液在200℃的温度下,热处理60分钟;
Figure 62115DEST_PATH_IMAGE006
用孔径为0.3μm的过滤膜过滤步骤
Figure 481726DEST_PATH_IMAGE004
的材料,将得到的液体离心,固液分离;将固体重新分散在甲醇溶液中,蒸发甲醇得到氮掺杂碳量子点粉末。
在本实施例中通过氮掺杂碳量子点对PEDOT:PSS薄膜掺杂,使得PEDOT 和 PSS 之间的静电相互作用消弱,从而重新调整PEDOT 和 PSS 之间的分子相互作用;使得固态电容器的内阻降低,并且固态铝电解电容器的电容引出率得到一定的提高。
实施例2
在实施例2中用氧化碳量子点替换实施例1中的氮掺杂碳量子点,其他与实施例1相同。实施例2中的氧化碳量子点的制备可以是如下方法。
Figure 632347DEST_PATH_IMAGE002
将碳纳米纤维 (0.5 g) 缓慢加入 HNO3 (20 mL) 和 H2SO4 (60 mL) 的混合物中,每克碳纳米纤维对应40 mLHNO3和120mLH2SO4;将溶液在 120°C 搅拌 24 小时。
Figure 606251DEST_PATH_IMAGE004
将溶液用过量的去离子水 (800 mL) 稀释并用弱碱,例如Na2CO3中和使得溶液呈中性。
Figure 359574DEST_PATH_IMAGE006
过滤,收集被氧化的碳纳米纤维,然后冷冻干燥。氧化碳量子点的制备是常规的方法,没有特别的要求。
对比例1
在对比例1中PEDOT:PSS薄膜没有进行任何的掺杂,其他部分与实施例1相同。
分别选取10个实施例1、实施例2和对比例1的固态铝电解电容器产品,分别测试电容量(CAP)和内阻(ESR),结果如下表:
Figure DEST_PATH_IMAGE008
从上表可以看出,实施例1的电容量略高于实施例2,而实施例2的电容量高于对比例1。在内阻方便,实施例1略低于实施例2,实施例2的内阻低于对比例1。
在实施例1中,以富马腈为含氮前驱体制备的氮掺杂碳量子点;由于富马腈是无氧的,制备氮掺杂碳量子点中可以通过四氢呋喃来获得含氧官能团。在实施例1中氮掺杂碳量子点能够消弱PEDOT 和 PSS 之间的静电相互作用,从而调整 PEDOT 和 PSS 之间的分子相互作用。实施例1和实施例2相比,在实施例1中氮掺杂碳量子点具有与氧相关的官能团它能够与PEDOT进行π−π堆积以及与 PSS 的亲水相互作用,有效促进分子重新定向;这一点是实施例2中的氧化碳量子点所不具备的。

Claims (7)

1.一种基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,包括芯包和外壳,所述芯包通过橡胶塞密封设置在外壳内;其特征在于:所述芯包内形成有导电高分子聚合物薄膜,所述导电高分子聚合物薄膜为经过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,其特征在于:所述氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点在PEDOT:PSS薄膜中的重量占比为1%-5%。
3.根据权利要求1所述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器,其特征在于:所述芯包含浸多次PEDOT:PSS分散液并且烘干形成PEDOT:PSS薄膜;第一次含浸的是经过氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS分散液,第N+1次含浸的是PEDOT:PSS分散液,N≤4。
4.一种基于掺杂PEDOT:PSS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)分别制备氮掺杂碳量子点和氧化碳量子点待用;
2)将PEDOT:PSS加入在分散液中并且分散均匀形成PEDOT:PSS分散液,PEDOT:PSS在分散液中的重量在5%以下;
3)将步骤1)制备的氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点加入到步骤2)中的分散液中并且分散均匀;
4)芯包含浸步骤3)的分散液,烘干在芯包内形成氮掺杂碳量子点或者氧化碳量子点杂化的PEDOT:PSS薄膜;
5)将完成步骤4)的芯包入壳,密封形成固态铝电解电容器。
5.根据权利要求4所述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,其特征在于:所述步骤4)重复进行2-5次。
6.根据权利要求4所述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,其特征在于:在步骤4)完成之后再含浸步骤2)的PEDOT:PSS分散液2-5次。
7.根据权利要求4所述的基于掺杂PEDOT:PSS的固态铝电解电容器的制备方法,其特征在于:所述氮掺杂碳量子点的制备方法包括以下步骤:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将富马腈加入到四氢呋喃溶液中超声分散均匀;每100mg富马腈对应加入到2-5mL的四氢呋喃溶液中;
Figure DEST_PATH_IMAGE004
将步骤
Figure 779095DEST_PATH_IMAGE002
的分散液在150-250℃的温度下,热处理30-60分钟;
Figure DEST_PATH_IMAGE006
用孔径为0.3μm-0.5μm的过滤膜过滤步骤
Figure 40443DEST_PATH_IMAGE004
的材料,将得到的液体离心,固液分离;将固体重新分散在甲醇溶液中,蒸发甲醇得到氮掺杂碳量子点粉末。
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