CN115910611A - 一种基于Ti3SiC2掺杂的固态铝电解电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，包括外壳和芯包，芯包密封设置在外壳内；芯包包括阳极箔、电解纸和阴极箔，电解纸设置在阳极箔和阴极箔之间，在阳极箔和阴极箔之间形成有高分子导电聚合物膜，高分子导电聚合物膜中掺杂有Ti₃SiC₂。在本发明中，固态电解质中用Ti₃SiC₂后能够有效的降低固态铝电解电容器的内阻；在本发明中，Ti₃SiC₂掺杂后的固态电解质，由于Ti₃SiC₂对高分子导电聚合物的支撑作用，使得固态铝电解电容器的循环性能得到提高。

Description

一种基于Ti3SiC2掺杂的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，尤其涉及一种内阻小的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器及其制备方法。

背景技术

就目前来看，固态电容器因为其成长性较好，故有着良好的应用前景。固态电容器采用导电率高、热稳定性好的高分子材料取代传统电解质，因此相对于普通液态铝电解电容器而言，它不仅可靠性较高、使用寿命长，而且有频率高、阻抗低、耐特大纹波电流等特性，故每一颗固态电容器可以替代2~3颗普通的铝电解电容器，也可以克服液态铝电解电容器易漏液的缺点，所以在电子产品的集成化和小型化方面有广范的应用前景，目前已经在笔记本电脑、LCDTV、3D显示器、游戏机等领域应用。5G网络、电子信息产业的兴起及消费结构的升级，尤其是随着其核心原材料售价的逐渐下降，固态电容器的应用范围会在将来不断扩大，市场需求也随之快速增加。

然而随着市场的发展，对于固态铝电解电容器的要求也越来越高，然而现在的固态铝电解电容器在内阻和循环性能上还不能完全满足市场的需求。

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，提供一种内阻小、循环性能好的基于Ti₃SiC₂掺杂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：一种基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，包括外壳和芯包，所述芯包密封设置在外壳内；其特征在于：所述芯包包括阳极箔、电解纸和阴极箔，电解纸设置在阳极箔和阴极箔之间，在阳极箔和阴极箔之间形成有高分子导电聚合物膜，所述高分子导电聚合物膜中掺杂有Ti₃SiC₂。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，优选的，所述Ti₃SiC₂与高分子导电聚合物的单体的重量比为1:40-1:10。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，优选的，高分子导电聚合物为PEDOT膜、聚苯胺膜或者聚吡咯膜。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，优选的，所述芯包为叠层式芯包，阳极箔的表面形成有高分子导电聚合物膜，阴极箔上形成有Ti₃SiC₂掺杂的高分子导电聚合物膜。

一种基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤；

1）Ti₃SiC₂粉末加入到导电聚合物单体溶液中，均匀形成含浸液；Ti₃SiC₂与导电聚合物单体的重量比为1:40-1:10；

2）芯包含浸步骤1）中形成的含浸液，然后烘干；

3）将完成步骤2）的芯包含浸氧化剂；

4）将含浸有氧化剂的芯包进行聚合反应；聚合时温度在50-120℃；

5）组立；

6）老化。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，优选的，所述聚合反应时将温度从50-70℃开始依次升高；每次升高温度的幅度不超过50摄氏度，每次温度升高后保温30min-90min。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，优选的，所述步骤1）中含浸液的溶剂包括去离子水、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油中的一种或者多种，导电聚合物单体在含浸液中的浓度为1-10%。

一种基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤：

1）Ti₃SiC₂粉末加入到导电聚合物单体溶液中，均匀形成涂覆液；Ti₃SiC₂与导电聚合物单体的重量比为1:40-1:10；

2）将步骤1）中的涂覆液均匀的涂覆在阴极箔上；

3）将氧化剂均匀的涂覆在步骤2）的阴极箔上；

4）将步骤3）的阴极箔进行聚合反应；

5）将步骤4）形成的阴极箔、隔膜和阳极箔依次层叠形成叠层式芯包；

6）在步骤5）形成的叠层式芯包中的阳极箔与步骤4）形成的阴极箔中形成高分子导电聚合物膜；

7）组立。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，优选的，所述聚合反应时将温度从50-70℃开始依次升高；每次升高温度的幅度不超过50摄氏度，每次温度升高后保温30min-90min。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，优选的，所述步骤6）的方法为直接含浸高分子导电聚合物的分散液，然后烘干；高分子导电聚合物的分散液中高分子导电聚合物的浓度为1-5%。

上述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，优选的，所述步骤6）的方法包括以下步骤：

①将步骤5）形成的叠层式芯包含浸高分子导电聚合物的单体溶液，然后烘干；

②将步骤①的芯包含浸氧化剂；然后进行聚合反应。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中，固态电解质中用Ti₃SiC₂后能够有效的降低固态铝电解电容器的内阻；在本发明中，Ti₃SiC₂掺杂后的固态电解质，由于Ti₃SiC₂对高分子导电聚合物的支撑作用，使得固态铝电解电容器的循环性能得到提高。

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Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，包括外壳和芯包，芯包通过橡胶塞密封设置在外壳内。在本实施例中，芯包由阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成，电解纸设置在阳极箔和阴极箔之间，在阳极箔和阴极箔之间形成有Ti₃SiC₂掺杂的PEDOT薄膜。在本实施例中，高分子导电聚合物为PEDOT，Ti₃SiC₂与高分子导电聚合物的单体的重量比为1:40-1:10。

在本实施例中，通过在PEDOT中掺杂Ti₃SiC₂能够有效的降低高分子导电聚合物的内阻，同时在固态铝电解电容器充放电循环中，Ti₃SiC₂对PEDOT的膨胀和收缩起到支撑作用使得固态铝电解电容器的循环性能得到有效的提高。

本实施例还提供一种基于Ti₃SiC₂掺杂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）Ti₃SiC₂粉末加入到EDOT溶液中，均匀形成含浸液；Ti₃SiC₂与EDOT的重量比为3:80；Ti₃SiC₂与EDOT的重量比可以按照具体情况设置在1:40-1:10之间；

2）芯包含浸步骤1）中形成的含浸液，然后烘干；

3）将完成步骤2）的芯包含浸氧化剂对甲苯磺酸铁；

4）将含浸有氧化剂的芯包进行聚合反应；

5）组立；

6）老化。

在本实施例中，聚合反应时按照50℃保温60 min、80℃保温90 min、100℃保温60min 、120℃保温60 min的顺序进行聚合。

在其他实施例中，为了加快PEDOT单体EDOT的含浸速度可以将EDOT分散在溶剂中形成含浸液，溶剂包括去离子水、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油等中的一种或者多种；EDOT在含浸液中的重量浓度为8%；可以按照具体情况设置EDOT在含浸液中的重量浓度，一般在1-10%之间。

在本实施例中，阳极箔采用化成箔；化成的具体方法为取40体积份的己二酸铵溶液放入100体积份的水浴中加热到65℃恒温，用稳压器提供9 V的电压，以铂电极为辅助电极，素子为工作电极化成30 min，化成完成后用纯水洗净，再放到120~160 ℃的烘干箱内干燥2~3小时。在本实施例中，己二酸铵溶液可以用乙酸铵代替。

在本实施例中，Ti₃SiC₂的表面是没有氧的，但是在极性溶剂中，Ti₃SiC₂表面很容易形成羟基，Ti₃SiC₂表面形成的羟基在EDOT聚合时与EDOT之间形成π-π键的耦合。在本实施例中，Ti₃SiC₂是层状结构的，其电导率非常高；在铝电解电容器的固态电解质中由PEDOT形成大的导电网络，Ti₃SiC₂与PEDOT之间实现耦合从而有效的降低固态电解质的电阻。本实施例中的20个固态铝电解电容器的平均容量为964μF，ESR值达到12.8 mΩ。同时，在固态铝电解电容器的充放电循环中，Ti3SiC2能够对PEDOT形成支撑作用，从而使得固态铝电解电容器的循环性能得到提升。在本申请中，在42V、20A的电压和电流下充放电2000次后，固态铝电解电容器电容保持率能够达到91.3%。

对比例1

在对比例1中，阳极箔和阴极箔之间形成的PEDOT薄膜没有用Ti₃SiC₂掺杂，其他与实施例1相同，对比例1制作出来的固态铝电解电容器的容量为971μF，内阻为16.3mΩ，在42V、20A的电压和电流下充放电2000次后，固态铝电解电容器电容保持率能够达到88.6%。

实施例2

在本实施例中，固态铝电解电容器是一种方形的铝电解电容器，其芯包为叠层式芯包，阳极箔的表面形成有PEDOT薄膜，阴极箔上形成有Ti₃SiC₂掺杂的PEDOT薄膜。

本实施例的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤：

1）Ti₃SiC₂粉末加入到EDOT溶液中，均匀形成涂覆液；Ti₃SiC₂与EDOT的重量比为1:40-1:10；

2）将步骤1）中的涂覆液均匀的涂覆在阴极箔上；

3）将氧化剂对甲苯磺酸铁溶液均匀的涂覆在步骤2）的阴极箔上；

4）将步骤3）的阴极箔进行聚合反应；

5）将步骤4）形成的阴极箔、隔膜和阳极箔依次层叠形成叠层式芯包；

6）在步骤5）形成的叠层式芯包中的阳极箔与步骤4）形成的阴极箔中形成高分子导电聚合物膜；

7）组立。

在本实施例中，步骤6）的方法为直接含浸PEDOT的分散液，然后烘干；PEDOT的分散液中PEDOT的重量浓度为1-5%。由于；PEDOT的分散液中PEDOT的重量浓度在1-5%，其浓度相对较低，粘度低，其容易含浸到芯包上阳极箔的深处，这样就能够在一定程度上提高固态铝电解电容器的容量，但是由于含浸的PEDOT较少，其内阻在一定程度上会升高。

在本实施例中，首先在阴极箔上形成）Ti₃SiC₂掺杂的PEDOT薄膜，然后叠层成芯包后，直接含浸PEDOT的分散液，烘干后，在阳极箔的表面形成PEDOT薄膜；并且这层PEDOT薄膜能够很好的与阴极箔上Ti₃SiC₂掺杂的PEDOT薄膜结合在一起，不至于形成断层。

本实施例的固态铝电解电容器的容量为672μF，ESR值为6.9mΩ，在42V、20A的电压和电流下充放电2000次后，固态铝电解电容器电容保持率能够达到90.2%。本实施例的其他部分与实施例1相同。

对比例2

在对比例2中，阴极箔上的PEDOT薄膜没有用Ti₃SiC₂掺杂，其他与实施例2相同。对比例2制作出来的固态铝电解电容器的容量为683μF，内阻为8.1mΩ，在42V、20A的电压和电流下充放电2000次后，固态铝电解电容器电容保持率能够达到87.3%。

实施例3

在本实施例中，步骤6）的方法包括以下步骤：

①将步骤5）形成的叠层式芯包含浸高分子导电聚合物的单体溶液，然后烘干；

②将步骤①的芯包含浸氧化剂对甲苯磺酸铁；然后进行聚合反应。本实施例的其他部分与实施例2相同。

Claims (11)

1.一种基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，包括外壳和芯包，所述芯包密封设置在外壳内；其特征在于：所述芯包包括阳极箔、电解纸和阴极箔，电解纸设置在阳极箔和阴极箔之间，在阳极箔和阴极箔之间形成有高分子导电聚合物膜，所述高分子导电聚合物膜中掺杂有Ti₃SiC₂。

2.根据权利要求1所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，其特征在于：所述Ti₃SiC₂与高分子导电聚合物的单体的重量比为1:40-1:10。

3.根据权利要求1或2所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，其特征在于：高分子导电聚合物为PEDOT膜、聚苯胺膜或者聚吡咯膜。

4.根据权利要求3所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器，其特征在于：所述芯包为叠层式芯包，阳极箔的表面形成有高分子导电聚合物膜，阴极箔上形成有Ti₃SiC₂掺杂的高分子导电聚合物膜。

5.一种基于Ti₃SiC₂掺杂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）Ti₃SiC₂粉末加入到导电聚合物单体溶液中，均匀形成含浸液；Ti₃SiC₂与导电聚合物单体的重量比为1:40-1:10；

2）芯包含浸步骤1）中形成的含浸液，然后烘干；

3）将完成步骤2）的芯包含浸氧化剂；

4）将含浸有氧化剂的芯包进行聚合反应；聚合时温度在50-120℃；

5）组立；

6）老化。

6.根据权利要求5所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述聚合反应时将温度从50-70℃开始依次升高；每次升高温度的幅度不超过50摄氏度，每次温度升高后保温30min-90min。

7.根据权利要求5所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中含浸液的溶剂包括去离子水、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油中的一种或者多种；EDOT在含浸液中的重量浓度为1-10%。

8.一种基于Ti₃SiC₂掺杂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）Ti₃SiC₂粉末加入到导电聚合物单体溶液中，均匀形成涂覆液；Ti₃SiC₂与导电聚合物单体的重量比为1:40-1:10；

2）将步骤1）中的涂覆液均匀的涂覆在阴极箔上；

3）将氧化剂均匀的涂覆在步骤2）的阴极箔上；

4）将步骤3）的阴极箔进行聚合反应；

5）将步骤4）形成的阴极箔、隔膜和阳极箔依次层叠形成叠层式芯包；

6）在步骤5）形成的叠层式芯包中的阳极箔与步骤4）形成的阴极箔中形成高分子导电聚合物膜；

7）组立。

9.根据权利要求8所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述聚合反应时将温度从50-70℃开始依次升高；每次升高温度的幅度不超过50摄氏度，每次温度升高后保温30min-90min。

10.根据权利要求8所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤6）的方法为直接含浸高分子导电聚合物的分散液，然后烘干；高分子导电聚合物的分散液中高分子导电聚合物的浓度为1-5%。

11.根据权利要求8所述的基于Ti₃SiC₂掺杂的固态铝电解电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤6）的方法包括以下步骤：

①将步骤5）形成的叠层式芯包含浸高分子导电聚合物的单体溶液，然后烘干；

②将步骤①的芯包含浸氧化剂；然后进行聚合反应。