CN117809983A - 混合聚合物铝电解电容器和制造电容器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合聚合物铝电解电容器(1)，其包括绕组元件(2)，绕组元件(2)具有大于10mm的直径，其中，电容器(1)包括与阳极箔(3)电接触的至少两个极耳(7)和与阴极箔(4)电接触的至少两个极耳(8)，并且其中，整个所述元件(2)通过均匀分布的导电聚合物(6)浸渍，其中，阴极箔(4)在绕组元件(2)的高度方向上具有比阳极箔(3)大的范围，并且阴极箔(4)的多个绕组比阳极箔(3)的多个绕组至少多一个，由此阳极箔(3)和阴极箔(4)布置并定尺寸成使得在绕组元件(2)中阳极箔(3)在两侧均完全嵌置在阴极箔(4)之间。此外，本发明涉及制造电容器(1)的方法。

Description

混合聚合物铝电解电容器和制造电容器的方法
本申请是申请日为2017年12月19日、国家申请号为201780080553.4(PCT申请号为PCT/EP2017/083574)、发明名称为“混合聚合物铝电解电容器和制造电容器的方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及混合聚合物铝电解电容器和制造电容器的方法。
背景技术
混合聚合物铝电解电容器是具有导电聚合物颗粒的液体电解质和固体电解质的电解电容器。聚合物覆盖阳极箔、阴极箔、分隔件以及电连接阳极箔与阴极箔的极耳。电解电容器是极化电容器，该极化电容器的阳极由铝制成，在该铝上通过阳极氧化形成有绝缘氧化物层。氧化物层用作电解电容器的电介质。非固体电解质或固体聚合物覆盖氧化物层的表面，并且原则上用作电容器的第二电极。
例如，在US 6,307,735 B1和US 7,497,879 B2中描述了混合聚合物电容器。由于聚合物层的高导电性，与常规的铝电解电容器相比，混合聚合物电容器的等效串联电阻(ESR)较低并且其纹波电流额定值可以较高。
到目前为止，具有大于10mm的直径和大于12mm的高度的混合聚合物电容器是不可用的。以下讨论阻碍构造较大的混合聚合物铝电解电容器的主要原因。
相比于具有相同总电容的若干小绕组元件的并联连接，将聚合物材料应用于尺寸大于10×12mm(直径×高度)的常规铝电解电容器的绕组元件的标准设计，导致ESR和纹波电流能力方面的性能降低。当箔太大时，电流必须沿着箔长距离行进，从而导致金属电阻增加。常规绕组设计的金属电阻太高而不能充分利用混合聚合物电解系统的高导电性。金属电阻成为ESR的限制部分。
此外，例如在US 7,497,879 B2中描述了用聚合物分散体浸渍绕组元件的现有技术工艺。这些工艺具有绕组高度方面的技术限制。通过纸状件的润湿和毛细作用将聚合物分散体吸入至绕组元件中。然而，对于高度大于12mm的绕组元件，即使通过若干次地重复进行浸渍过程，也几乎不可能用这种技术完全浸渍它们。
在设计非常可靠的混合聚合物铝电容器时必须考虑的另外的方面是快速充电和放电的稳定性。
在没有进一步的设计改变的情况下增大公知的绕组元件的直径是没有意义的，因为在这种情况下，ESR高于具有小的总电容的两个小电容器的并联连接的ESR。
由于上面讨论的现有技术聚合物浸渍工艺的技术限制，在没有进一步的工艺改变的情况下增加公知的绕组元件的高度也没有意义。在聚合物浸渍期间，液体必须到达、覆盖并渗入绕组元件的每个部分。当应用如US 7,497,879中描述的标准工艺时，这对于大于12mm的卷绕高度而言是几乎不可能并且绝对低效的。用于混合聚合物电容器的聚合物分散体非常粘性。由于聚合物分散体的高粘度，不可能使用常规浸蘸工艺来浸渍长度大于12mm的绕组。在这种情况下，绕组内的聚合物分散体的均匀性不充分，并且分隔件的中间部分甚至保持干燥。结果将是阴极箔与阳极箔之间的不适当的电连接。
聚合物主要与阳极箔的氧化物和阴极箔的薄氧化物连接。在电容器的电压变化期间，聚合物电势基本上接近阴极箔电势，因为阴极氧化物非常薄。另一方面，在市场上的混合聚合物电容器中，少数聚合物区域仅与阳极箔接触。在该区域中，仅阳极箔的电势占主导地位。因此，产生补偿电流。如果电压变化太快，则所引起的补偿电流会破坏聚合物并导致短路。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的阻碍构造具有较大尺寸的混合聚合物铝电解电容器的问题。该问题通过本权利要求1解决。
本发明的另一目的是提供一种改进的电容器。该目的通过第二独立权利要求解决。
本发明的另一目的是提供一种能够构造这种电容器的方法。该目的通过其他独立权利要求解决。
根据第一方面，本发明涉及一种混合聚合物铝电解电容器，其包括直径大于10mm的绕组元件。优选地，绕组元件具有大于12mm的高度。
此外，电容器包括与阳极箔电接触的至少两个极耳和与阴极箔电接触的至少两个极耳。使用至少两个极耳来接触阳极箔和阴极箔中的每一者可以有助于充分利用能够由聚合物提供的低电阻。由于多于一个的极耳用于接触阳极箔和阴极箔中的每一者，因此电接触的电阻可以保持在最小。
如上所述，混合聚合物铝电解电容器是具有导电聚合物颗粒的液体电解质和固体电解质的电解电容器。聚合物覆盖阳极箔、阴极箔、分隔件以及电连接至阳极箔与阴极箔的极耳。阳极箔、阴极箔和分隔件被卷绕以形成绕组元件。
因此，绕组元件可以包括阳极箔和阴极箔，阳极箔和阴极箔绕轴线卷绕，其中，分隔件置于阳极箔与阴极箔之间，其中，阳极箔、阴极箔和分隔件覆盖有导电聚合物，并且其中，电容器包括液体电解质。阳极箔可以包括铝箔，其中，铝箔的表面上布置有氧化物层。氧化物层可以在通过表面的氧化而使铝箔表面粗糙化之后产生。氧化物层可以用作介电涂层膜。此外，阴极箔也可以是在其表面上包含氧化物层的铝箔。阴极箔上的氧化物层也可以在通过对表面进行氧化的粗糙化之后形成。阴极箔的厚度可以小于阳极箔的厚度。阴极箔上的氧化物层可以比阳极箔上的氧化物层薄。
分隔件中的每个分隔件可以是纸状件。分隔件用聚合物浸渍。分隔件可以用液体电解质额外地浸渍。特别地，绕组元件可以包括两个分隔件，每个分隔件用聚合物浸渍。
绕组元件可以具有筒形形状。绕组元件的高度对应于筒形形状的高度。高度有时也可以称为绕组元件的长度。绕组元件的直径可以对应于筒形形状的直径。
直径大于10mm且高度大于12mm的绕组元件提供低ESR和高纹波电流能力的优点。如稍后将描述的，本发明人发现了能够构造具有大尺寸的混合聚合物铝电解电容器的方法。
阳极箔、阴极箔和分隔件可以用导电聚合物覆盖。此外，电连接阳极箔和阴极箔的极耳也可以用导电聚合物覆盖。可以通过用聚合物分散体浸渍绕组元件来形成导电聚合物的覆盖。聚合物分散体可以包括溶剂和导电聚合物颗粒或导电聚合物粉末。除聚合物外，混合聚合物铝电解电容器还包含液体电解质。
电容器可以是轴向电容器。作为轴向电容器的混合聚合物铝电解电容器致使多种优点。例如，多极耳连接对于轴向电容器是可能的。特别是，多极耳连接对于非常宽的直径范围的轴向电容器是可能的。多极耳连接意味着至少两个极耳连接至阳极箔，这使得能够在两个位置处将电势施加至阳极箔，并且至少两个极耳连接至阴极箔，这使得能够在两个位置处将电势施加至阴极箔。与电势仅在一个位置处施加到箔的单极耳连接相比，多极耳连接的使用允许电流必须沿着箔行进的长度减小。因此，可以降低阳极箔的电阻和阴极箔的电阻。
此外，轴向电容器提供对称的结构。
阳极箔和阴极箔可以布置并定尺成使得在绕组元件中阳极箔的每个部分都由阴极箔覆盖。因此，绕组元件可以不包括仅与阳极箔相邻而不与阴极箔相邻的聚合物区域。绕组元件可以不含电势由阳极箔的电势支配的聚合物区域。因此，可以防止出现补偿电流。电容器可以以下述方式卷绕：使得聚合物区域都与阴极箔相邻，从而使得阴极箔总是支配聚合物的电势。因此，所有聚合物区域都具有相同的电势即阴极箔的电势。因此，在聚合物区域中不会发生补偿电流。防止这种补偿电流可以有助于提高电容器的可靠性和寿命。补偿电流可以破坏聚合物并导致短路。因此，可以通过防止补偿电流来避免该问题。
阳极箔和阴极箔可以布置并定尺寸成使得在绕组元件中阳极箔在两侧完全嵌置在阴极箔之间。
阴极箔可以在绕组元件的高度方向上具有比阳极箔大的范围。
阴极箔的多个绕组可以比阳极箔的多个绕组至少多一个。
绕组元件可以具有螺旋结构。特别地，绕组元件也可以在沿着绕组元件的对称轴线延伸穿过绕组元件的孔中具有螺旋结构。孔的表面可以由阴极箔覆盖。孔的表面可以没有阳极箔。
阴极箔可以包括覆盖有氧化物层的铝箔，其中，氧化物层在阴极箔上具有均匀的厚度。通过避免阴极箔上的氧化物层的厚度不均匀，也可以在电容器的充电和放电期间避免补偿电流。在氧化物层的最小厚度不小于10nm的情况下，可以认为氧化物层的厚度是均匀的。
绕组元件可以布置在具有罐底部的罐内。罐可包括导电材料。阴极箔可以在朝向罐底部的轴向方向上具有比阳极箔更大的范围，其中，阴极箔与罐底部电接触。
这种设计也被称为延伸的阴极箔。延伸的阴极箔对于混合聚合物铝电解电容器特别有利。在不包括固体聚合物的电解电容器中，由于在电容器的寿命期间在延伸的阴极箔上发生的氧化而使延伸的阴极箔导致问题。然而，在混合聚合物电容器中，阴极箔由能够防止氧化的聚合物覆盖。因此，不会产生性能降低，因为防止了延伸的阴极箔的氧化。
罐底部可以包括机械地阻止绕组元件相对于罐底部移动的结构。该结构例如可以包括肋。该结构和延伸的阴极箔可以布置并定形状成使得箔和该结构彼此接合，从而防止阴极箔相对于罐底部的相对运动。
阴极箔也可以焊接至罐底部。
罐可以包括固定绕组元件的波形部。波形部可以是罐的向内突出的部分。
罐可以包括覆盖件。阳极箔可以在朝向覆盖件的轴向方向上具有比阴极箔大的范围，其中，阳极箔与覆盖件电连接。覆盖件还可以具有与上面关于罐底部所讨论的结构类似的结构。阳极箔和覆盖件上的结构可以布置成彼此接合并适于彼此接合。阳极箔和罐的相对运动可以由阳极箔与覆盖件的接合而防止。覆盖件的结构例如可以包括肋。阳极箔可以焊接至覆盖件。
电容器可以包括与阳极箔电接触的至少两个极耳和与阴极箔电接触的至少两个极耳。这种设计也被称为多极耳连接。多极耳连接对于轴向电容器特别简单。多极耳连接能够提供电阻率降低的优点，因为电势可以在多个位置处施加至每个箔。因此，可以降低箔的金属电阻。
绕组元件可以具有小于22mm的直径。优选地，绕组元件具有在12mm至17mm的范围内的直径。绕组元件可以具有小于40mm的高度。优选地，绕组元件具有在15mm至30mm的范围内的高度。
绕组元件的高度与直径的比值可以大于2。该比值特别优选地致使绕组元件的电特性。
根据第二方面，本发明涉及一种混合聚合物铝电解电容器，其包括第一绕组元件和第二绕组元件。第一绕组元件包括绕轴线卷绕并且由导电聚合物覆盖的阳极箔、分隔件和阴极箔。除导电聚合物外，第一绕组元件还包括液体电解质。第一绕组元件具有大于12mm的高度。第二绕组元件包括绕轴线卷绕并且由导电聚合物覆盖的阳极箔、分隔件和阴极箔。除导电聚合物外，第二绕组元件还包括液体电解质。第二绕组元件具有大于12mm的高度。绕组元件布置在共同的罐中。每个绕组元件包括连接至该绕组元件的阳极箔的极耳和连接至该绕组元件的阴极箔的极耳。连接至阳极箔的极耳彼此连接并且连接至阴极箔的极耳彼此连接，使得绕组元件彼此并联电连接。电容器还可以包括多于两个的绕组元件，其中，每个绕组元件以与第一绕组元件和第二绕组元件相同的方式设计，并且其中，所有绕组元件都布置在共同的罐中。第一绕组元件和第二绕组元件中的每一者可以是径向绕组元件。替代性地，第一绕组元件和第二绕组元件中的每一者可以是轴向绕组元件。
电容器可以包括多于两个的绕组元件，所述多于两个的绕组元件布置在共同的罐中并且彼此并联连接。
绕组元件可以用下面描述的浸渍方法制造，该方法即使对于高度大于12mm的绕组元件也能够实现均匀的浸渍。
根据另一方面，本发明涉及一种制造根据第一方面的电容器的方法。该方法包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔、分隔件和阴极箔以形成绕组元件；
-用聚合物分散体浸没绕组元件，其中，聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末；
-将过压脉冲施加至被浸没的绕组元件。
通过使用过压脉冲，聚合物分散体可以均匀地分布在整个绕组元件上。可以用这种方法来浸渍绕组元件的内部部分，而这在以前是不能通过浸渍实现的。
在过压脉冲期间，可以施加2巴至150巴的过压，然后施加大气压或小于1巴的压力。优选地多次施加脉冲。
另外，该方法可以包括将绕组元件布置在包括液体电解质的罐中的步骤。
根据另一方面，本发明涉及制造电容器的替代性方法。该方法包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔、分隔件和阴极箔以形成绕组元件；
-将绕组元件布置在管中；
-迫使聚合物分散体流过管并因此流过绕组元件，其中，聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末。
当聚合物分散体流过绕组元件时，可以施加至少1.5巴的过压。流经法(flowthrough method)还确保大尺寸的绕组元件被均匀地浸渍。施加过压进一步改善了流经法。
另外，该方法可以包括将绕组元件布置在包括液体电解质的罐中的步骤。
在下文中，描述了一组有利的方面。对这些方面进行编号以便于在其他方面引用一个方面的特征。来自这些方面的特征不仅与它们所涉及的特定方面相关，而且还与它们自身相关。
1.一种混合聚合物铝电解电容器，
包括绕组元件，所述绕组元件具有大于10mm的直径和大于12mm的高度。
2.根据方面1所述的电容器，
其中，所述绕组元件包括阳极箔和阴极箔，所述阳极箔和所述阴极箔绕轴线卷绕，其中，分隔件置于所述阳极箔与所述阴极箔之间，
其中，所述阳极箔、所述阴极箔和所述分隔件覆盖有导电聚合物，并且其中，所述电容器包括液体电解质。
3.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述电容器是轴向电容器。
4.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述阳极箔和所述阴极箔布置且定尺寸成使得在所述绕组元件中所述阳极箔的每个部分都由所述阴极箔覆盖。
5.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述阴极箔包括覆盖有氧化物层的铝箔，其中，所述氧化物层在所述阴极箔上具有均匀的厚度。
6.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述绕组元件布置在具有罐底部的罐内，
其中，所述阴极箔在朝向所述罐底部的轴向方向上具有比所述阳极箔大的范围，并且其中，所述阴极箔与所述罐底部电接触。
7.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述罐底部包括机械地阻止所述绕组元件(2)相对于所述罐底部移动的结构。
8.根据方面6或7中的一项所述的电容器，
其中，所述阴极箔焊接至所述罐底部。
9.根据方面6至8中的一项所述的电容器，
其中，所述罐包括波形部，所述波形部固定所述绕组元件。
10.根据方面6至9中的一项所述的电容器，
其中，所述罐包括覆盖件，
其中，所述阳极箔在朝向所述覆盖件的轴向方向上具有比所述阴极箔大的范围，并且其中，所述阳极箔与所述覆盖件电接触。
11.根据前一方面所述的电容器，
其中，所述阳极箔焊接至所述覆盖件。
12.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述电容器包括与所述阳极箔电接触的至少两个极耳和与所述阴极箔电接触的至少两个极耳。
13.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述绕组元件具有小于22mm的直径。
14.根据前述方面中的一项所述的电容器，
其中，所述绕组元件的所述高度与所述绕组元件的所述直径的比值大于2。
15.一种混合聚合物铝电解电容器，
包括第一绕组元件和第二绕组元件，所述第一绕组元件包括绕轴线卷绕并由导电聚合物覆盖的阳极箔、分隔件和阴极箔，其中，所述第一绕组元件包括液体电解质，所述第二绕组元件包括绕轴线卷绕并由导电聚合物覆盖的阳极箔、分离器和阴极箔，其中，所述第二绕组元件包括液体电解质，
其中，所述第一绕组元件和所述第二绕组元件中的每一者具有大于12mm的高度，
其中，所述绕组元件布置在共同的罐中，
其中，每个绕组元件包括连接至相应的阳极箔的极耳和连接至相应阴极箔的极耳，并且
其中，连接至所述阳极箔的极耳彼此连接，并且连接至所述阴极箔的极耳彼此连接，使得所述绕组元件彼此并联电连接。
16.根据前一方面所述的电容器，
其中，所述第一绕组元件和所述第二绕组元件中的每一者是径向绕组元件，
或者
其中，所述第一绕组元件和所述第二绕组元件中的每一者是轴向绕组元件。
17.一种制造根据方面1至14中的一项所述的电容器的方法，
包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔、分隔件和阴极箔以形成绕组元件；
-用聚合物分散体浸没所述绕组元件，其中，所述聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末；
-将过压脉冲施加至被浸没的绕组元件。
18.根据前一方面所述的方法，
其中，在过压脉冲期间，施加2巴至150巴范围内的过压，然后施加大气压或1巴以下的压力。
19.一种制造根据方面1至14中的一项所述的电容器的方法，
包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔、分隔件和阴极箔以形成绕组元件；
-将所述绕组元件布置在管中；
-迫使聚合物分散体流过所述管并因此流过所述绕组元件，其中，所述聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末。
20.根据前一方面所述的方法，
其中，当所述聚合物分散体流过所述绕组元件时施加至少1.5巴的过压。
在下文中，详细描述了本发明。
附图说明
图1示出了绕组元件的第一实施方式。
图2以立体图示出了不同种类的电容器。
图3示出了包括三个绕组元件的电容器。
图4示出了普通聚合物电解电容器的X射线照片。
图5示出了没有引导极耳的混合铝聚合物电解电容器的示意性横截面图。
图6示出了使用常规浸渍方法将聚合物分散体施加至绕组元件的示例。
图7示出了已经用新方法浸渍过的绕组元件的细节照片。
图8至图12示出了不同种类的电容器元件。
具体实施方式
图1示出了混合聚合物铝电解电容器1的绕组元件2的第一实施方式。绕组元件2具有大于10mm的直径和大于12mm的高度。
绕组元件2包括绕公共轴线卷绕的阳极箔3、阴极箔4和分隔件5。分隔件5布置在阳极箔3与阴极箔4之间。绕组元件2还包括另一分隔件，该另一分隔件也布置在阳极箔3与阴极箔4之间但未在图1中示出以简化附图。特别地，阳极箔3、分隔件5、阴极箔4和另一分隔件依次堆叠并且然后绕轴线卷绕。
绕组元件2已经用聚合物6浸渍。通过在放大视图中示出覆盖阳极箔3、阴极箔4和分隔件5的聚合物6而在图1中示出了浸渍。覆盖阳极箔3、阴极箔4和分隔件5的聚合物6是导电的。除聚合物外，电容器1还包括液体电解质。
阳极箔3包括铝箔。铝箔的表面已经通过蚀刻工艺而被粗糙化。然后，通过氧化处理在表面上形成介电氧化膜。因此，阳极箔3包括在其表面上具有氧化物层的铝箔。阴极箔4也包括铝箔，其中，铝箔的表面已经通过蚀刻工艺而被粗糙化，并且然后通过氧化处理在表面上形成电介质氧化膜。因此，阴极箔4也包括在其表面上具有氧化物层的铝箔。
阳极箔3和阴极箔4定尺寸成使得它们在被卷绕时致使绕组元件2具有大于10mm的直径和大于12mm的高度。因此，箔3、4比通常用于混合聚合物铝电解电容器的箔更大且更宽。
分隔件5中的每个分隔件是已经用聚合物6浸渍的纸状件。
绕组元件2卷绕所绕的公共轴线限定轴向方向。
绕组元件2还包括用于电接触绕组元件2的极耳7、8。绕组元件2包括两个极耳7，所述两个极耳7两者均连接至阳极箔3。连接至阳极箔3的极耳7沿正轴向方向延伸。此外，绕组元件2包括两个极耳8，所述两个极耳8连接至阴极箔4。连接至阴极箔4的极耳8沿负轴向方向延伸，即沿与连接至阳极箔3的极耳7相反的方向延伸。
具有连接至阳极箔3的极耳7以及连接至阴极箔4的沿相反方向延伸的极耳8的电容器1也被称为轴向电容器。与此相比，在径向电容器中，连接至阳极箔的极耳和连接至阴极箔的极耳两者均沿相同的轴向方向延伸，即两者均沿正轴向方向延伸或者两者均沿负轴向方向延伸。
使用多个极耳7、8来连接阳极箔3和阴极箔4中的每一者允许使用长且宽的箔3、4。多个极耳7、8的使用降低了绕组元件2的金属电阻，因为电流可以在多个位置处给送到绕组元件2中，因此减少了电流必须在绕组元件2内行进的长度。多个极耳7、8的使用不是从混合聚合物铝电解电容器中所已知的。
图2以立体图示出了不同种类的电容器。特别地，图2示出了两个轴向电容器9，所述两个轴向电容器9各自具有沿正轴向方向延伸的两个极耳7和沿负轴向方向延伸的两个极耳8。沿正轴向方向延伸的极耳7连接至阳极箔3，并且沿负轴向方向延伸的极耳8连接至阴极箔4。对于左侧所示的轴向电容器，两个极耳8由于视角而不可见。
轴向电容器9的绕组元件绕轴线卷绕。连接至阳极箔3的两个极耳7中的每个极耳以远离该轴线一定径向距离的方式布置。在垂直于轴线的平面中，两个极耳7相对于轴线点对称地布置。连接至阴极箔4的两个极耳8中的每个极耳以远离该轴线一定径向距离的方式布置。在垂直于轴线的平面中，两个极耳8相对于轴线点对称地布置。具有连接至阳极箔3和阴极箔4中的每一者的两个极耳7、8的轴向电容器9具有低ESR，并且因此具有增大的纹波电流能力。
可以推断的是，构造具有连接至阳极箔和阴极箔中的每一者的两个极耳的电容器对于轴向电容器9是可能的。图2还示出了两个卡扣式电容器10。为了能够构造具有连接至阳极箔3和阴极箔4中的每一者的两个极耳的卡扣式电容器10，需要22mm的最小直径。图2还示出了径向电容器11。不可能构造具有连接至阳极箔3和阴极箔4中的每一者的两个极耳的径向电容器11。
图1中所示的电容器1布置在罐内，该罐未在图1中示出。罐包括管状罐本体、罐底部和覆盖件。罐底部和覆盖件是圆盘形的。在轴向方向上，管状罐本体夹在罐底部与覆盖件之间。
阴极箔4在朝向罐底部的轴向方向上具有比阳极箔3大的范围。分隔件5在朝向罐底部的轴向方向上具有比阴极箔4小的范围。阳极箔3在朝向罐底部的轴向方向上具有比阴极箔4和分隔件5短的范围。
延伸的阴极箔4接触罐底部。因此，电流能够经由导电壳体底部通过捷径到达阴极箔4。图1中所示的延伸的阴极箔4导致ESR降低。
这种想法对于电解电容器是已知的，其中，绕组元件被机械地压到罐底部，使得延伸的阴极箔接触罐底部。这种方法仅在低可靠性的情况下起作用，并且作用有限的时间。在操作期间，形成了阴极箔与罐底部之间的氧化物层，该氧化物层减少电连接并最终中断电连接。
然而，在混合聚合物铝电解电容器1中，阴极箔4由聚合物覆盖。聚合物覆盖件防止阴极箔4的氧化。因此，没有氧化物层能够生长。此外，聚合物也是导电的，使得电流能够从罐底部经由聚合物流至阴极箔4。因此，不需要两金属的连接。因此，图1中所示的设计产生更好的热连接和降低的ESR。
为了与罐的电连接的长期稳定性，应当防止绕组元件2相对于罐的机械运动。因此，阴极箔4可以例如通过焊接而固定至罐底部。焊接具有低接触电阻的优点，但是具有额外的工艺步骤并且因此额外的成本的缺点。
替代性地或另外地，罐底部可以进一步包括例如肋的结构。该结构可以进一步有助于避免任何机械运动。该结构可以设计成固定延伸的阴极箔4。例如，阴极箔4可以被夹在两个相邻的肋之间。阴极箔4和罐底部上的结构可以设计成使得它们彼此结合，从而提供机械稳定性。
此外，罐可以包括波形部，该波形部也机械地固定绕组元件2。波形部可以是罐的向内突出的部分。波形部使绕组元件2保持稳定至罐底部。因此，经由聚合物或经由金属连接从罐底部至阴极箔4的电流路径保持稳定。
附加地或替代性地，阳极箔3可以沿相反的方向延伸。因此，延伸的阳极箔3可以接触罐的覆盖件。延伸的阳极箔3可以焊接至覆盖件。该解决方案例如在阳极侧上使用大量的极耳来提供等效的低ESR。
图3示出了电容器1的另一实施方式，该电容器1包括三个绕组元件2，每个绕组元件2具有大于12mm的高度。每个绕组元件由两个极耳7、8连接，一个极耳7连接至阳极箔3且一个极耳8连接至阴极箔4。连接至阳极箔3的所有极耳7连接在一起。此外，连接至阴极箔4的所有极耳8也连接在一起。因此，绕组元件2彼此并联电连接。绕组元件2布置在共同的罐12中。所有的极耳7、8在同一侧被抽出。因此，绕组元件2中的每个绕组元件作为径向绕组元件连接。连接至阳极箔3的所有极耳7、8连接在一起。而且，连接至阴极箔4的所有极耳7、8也连接在一起。
在替代性设计中，绕组元件2可以形成为轴向绕组元件，其中，连接至阳极箔的极耳7在绕组元件2的一个端部处被抽出，并且连接至阴极箔的极耳8在绕组元件2的相反的端部处被抽出。
图4是常见聚合物电解电容器的X射线照片。借助于图4，将解释已经识别的故障机制。
聚合物主要与阳极箔3的氧化物和阴极箔4的氧化物连接。在电容器的电压变化期间，聚合物电势基本上接近阴极箔电势的电势，因为阴极箔4上的氧化物非常薄。
然而，电容器还包括仅与阳极箔3接触的聚合物区域。这些区域在图4中由两个粗箭头A标记。在该区域中，仅阳极箔3的电势占主导地位。因此，当电容器充电或放电时产生补偿电流。此外，如果电压充电太快，所引起的补偿电流会破坏聚合物并导致短路。如现在将讨论的，阳极箔3和阴极箔4以使得可以避免补偿电流的方式定尺寸和卷绕。图5示出了混合聚合物铝电解电容器1的示意性横截面图。电容器1包括阳极箔3、阴极箔4、第一分隔件5和第二分隔件5。此外，电容器1包括液体电解质13，该液体电解质填充阳极箔3、阴极箔4和分隔件5之间的间隙。
阳极箔3比阴极箔4短。因此，在绕组元件2的绕组开始及其绕组结束时，绕组元件2不包括阳极箔3。在绕组元件2的每个部分中，阴极箔4总是平行于阳极箔3。绕组元件2不包括阳极箔3摆脱阴极箔4的区域。绕组元件2不包括与阳极箔3接触而不与阴极箔4接触的聚合物区域。阳极箔3和阴极箔4布置并且定尺寸成使得在绕组元件2中阳极箔3的每个部分都由阴极箔4覆盖。
因此，能够确保的是，电容器1不包括下述聚合物区域：在该聚合物区域中，施加至阳极箔3的电势能够支配相邻的聚合物区域中的电势。因此，不会产生补偿电流。阴极箔4的布置确保聚合物和电解质13具有大致相同的电势。可以避免关于图4讨论的故障机制。
此外，阴极箔4上的氧化物层的不均匀厚度也能够在电容器1的充电和放电期间产生补偿电流。为了避免补偿电流的产生，阴极箔4上的氧化物层具有均匀的厚度。因此，当氧化物层的最小厚度不小于其最大厚度的95％时，认为氧化物层的厚度是均匀的。
阴极箔4上的均匀氧化物厚度进一步增强了对瞬时电负载的稳定性。这可以通过使用形成至例如3V或更高的电压水平的阴极箔4来实现，而不是通过应用氧化物厚度较小且自然变化的未成形箔来实现。
在下文中，描述了用聚合物分散体浸渍绕组元件2的方法。绕组元件2在浸渍绕组元件2的步骤之前被卷绕。
聚合物分散体包含导电固体聚合物颗粒或聚合物粉末。另外，聚合物分散体包括溶剂例如水。在现有技术中，已知用聚合物分散体浸渍绕组元件2的方法，其中，聚合物分散体在真空条件下施加。如前所述，该方法具有在绕组元件2的高度方面的技术限制。图6示出了使用常规浸渍方法将聚合物分散体施加至高度大于10mm的绕组元件2的示例。图6清楚地示出了聚合物溶液仅渗入在分隔件的上部部分和底部部分、阳极箔和阴极箔。分隔件的中间部分完全不含聚合物，因为聚合物颗粒由于使用了强真空而不能渗入。
与此相比，根据本发明，绕组元件2可以通过使用过压的压力脉冲而用聚合物分散体浸渍。绕组元件2布置在紧密封闭的压力容器中。容器通过接合部被聚合物分散体充满。过压空气通过接合部施加至容器。过压空气可以具有大于1个大气压的压力。过压可以处于2巴至150巴的范围内。在几秒钟之后，例如在2秒至20秒的范围内的时间段之后，过压被释放。然后，容器中的压力下降至较低的压力。较低的压力可以是大气压或者1巴以下的压力。施加过压然后施加较低压力的循环被认为是一个压力脉冲。这种循环重复多次。通过向绕组元件和聚合物分散体施加压力脉冲，聚合物分散体以均匀的方式分布在阳极箔3、分隔件5和阴极箔4中。
图7示出了已经借助于压力脉冲而浸渍的阳极箔3、分隔件5和阴极箔4的细节照片。聚合物颗粒已到达分隔件5的芯部。聚合物颗粒至绕组元件2中的渗透性和聚合物分散体的均匀性是优异的。
在替代性方法中，绕组元件2布置在管中，并且管填充有聚合物分散体，该聚合物分散体流过管并因此流过绕组元件2。此外，可以将大于1.5巴的过压施加至聚合物分散体。该方法还导致阳极箔3、分隔件5、阴极箔4和极耳7、8由聚合物均匀覆盖。特别地，聚合物分散体进入绕组元件2的底部或顶部并沿轴向方向流过绕组元件2。该方法可以设计成使得聚合物分散体循环并因此多次流过绕组元件2，每次都进一步改善绕组元件2的浸渍。
用于浸渍绕组元件2的上述方法能够均匀地浸渍直径大于10mm且高度大于12mm的绕组元件2。
上述混合聚合物铝电解电容器具有以下优点。即使在直径尺寸大于10mm的情况下，混合聚合物铝电解电容器也能提供低ESR并且因此提供高纹波电流能力。由于电容器具有大于12mm的高度，因此该电容器具有低ESR。此外，大于10mm的直径和大于12mm的高度致使高的容量。低ESR和大尺寸进一步致使高纹波电流能力。即使在高电压纹波负载的情况下，也可以确保高质量。因此，客户可以使用较少数量的大电容器，而不是使用较多数量的小电容器。由于混合聚合物铝电解电容器的尺寸大，因此其寿命长。电容器具有大的液体电解质的储存器，由此液体电解质借助于穿过橡胶和罐材料的扩散而更慢地逸出。
图8至图12示出了电容器的不同设计，该电容器包括直径大于10mm且长度大于12mm的绕组元件。图8至图12中所示的电容器中的每个电容器是混合聚合物铝电解电容器。图8示出了轴向电容器。该轴向电容器构造成用于钎焊导电或焊接导电。图9示出了钎焊星形电容器。钎焊星形电容器提供低感应系数的优点。图10示出了平坦水平钎焊星形电容器。图11示出了可表面安装的电容器。图12示出了图9中所示的压配形式的电容器或图10中所示的压配形式的电容器。
附图标记
1电容器
2绕组元件
3阳极箔
4阴极箔
5分隔件
6聚合物
7极耳
8极耳
9轴向电容器
10卡扣式电容器
11径向电容器
12罐
13液体电解质

Claims (17)

1.一种混合聚合物铝电解电容器(1)，
包括绕组元件(2)，所述绕组元件(2)具有大于10mm的直径，
其中，所述电容器(1)包括与阳极箔(3)电接触的至少两个极耳(7)和与阴极箔(4)电接触的至少两个极耳(8)，并且其中，整个所述绕组元件(2)通过均匀分布的导电聚合物(6)浸渍，
其中，所述阴极箔(4)在所述绕组元件(2)的高度方向上具有比所述阳极箔(3)大的范围，并且所述阴极箔(4)的多个绕组比所述阳极箔(3)的多个绕组至少多一个，由此所述阳极箔(3)和所述阴极箔(4)布置并定尺寸成使得在所述绕组元件(2)中，所述阳极箔(3)在两侧均完全嵌置在所述阴极箔(4)之间。
2.根据权利要求1所述的电容器(1)，所述绕组元件(2)具有大于12mm的高度。
3.根据权利要求1或2所述的电容器(1)，其中，所述绕组元件(2)包括所述阳极箔(3)和所述阴极箔(4)，所述阳极箔(3)和所述阴极箔(4)绕轴线卷绕，其中，分隔件(5)置于所述阳极箔(3)与所述阴极箔(4)之间，其中，所述阳极箔(3)、所述阴极箔(4)和所述分隔件(5)覆盖有导电聚合物(6)，并且其中，所述电容器(1)包括液体电解质(13)。
4.根据权利要求1或2所述的电容器(1)，其中，所述电容器(1)是轴向电容器。
5.根据权利要求1所述的电容器(1)，其中，所述绕组元件(2)布置在具有罐底部的罐(12)内，其中，所述阴极箔(4)在朝向所述罐底部的轴向方向上具有比所述阳极箔(3)大的范围，并且其中，所述阴极箔(4)与所述罐底部电接触，并且
其中，所述阴极箔(4)包括覆盖有氧化物层的铝箔，其中，所述氧化物层在所述阴极箔(4)上具有均匀的厚度。
6.根据权利要求5所述的电容器(1)，其中，所述氧化物层具有不小于10nm的均匀的厚度。
7.根据权利要求5所述的电容器(1)，其中，所述罐底部包括机械地阻止所述绕组元件(2)相对于所述罐底部移动的结构。
8.根据权利要求5所述的电容器(1)，其中，所述阴极箔(4)焊接至所述罐底部。
9.根据权利要求5所述的电容器(1)，其中，所述罐(12)包括波形部，所述波形部固定所述绕组元件(2)。
10.根据权利要求5所述的电容器(1)，其中，所述罐(12)包括覆盖件，其中，所述阳极箔(3)在朝向所述覆盖件的轴向方向上具有比所述阴极箔(4)大的范围，并且其中，所述阳极箔(3)与所述覆盖件电接触。
11.根据权利要求10所述的电容器(1)，其中，所述阳极箔(3)焊接至所述覆盖件。
12.根据权利要求1或2所述的电容器(1)，其中，所述绕组元件(2)具有小于22mm的直径。
13.根据权利要求1或2所述的电容器(1)，其中，所述绕组元件(2)的高度与所述绕组元件(2)的直径的比值大于2。
14.一种制造根据权利要求1所述的电容器(1)的方法，
包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔(3)、分隔件(5)和阴极箔(4)以形成绕组元件(2)，
-用聚合物分散体浸没整个所述绕组元件(2)，其中，所述聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末，
-以2秒的脉冲持续时间将过压脉冲施加至被浸没的所述绕组元件(2)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在过压脉冲期间，施加2巴至150巴范围内的过压，然后施加大气压或1巴以下的压力。
16.一种制造根据权利要求1所述的电容器(1)的方法，
包括以下步骤：
-绕轴线卷绕阳极箔(3)、分隔件(5)和阴极箔(4)以形成绕组元件(2)；
-将所述绕组元件(2)布置在管中；
-迫使聚合物分散体流过所述管并因此流过所述绕组元件(2)，其中，所述聚合物分散体包含溶剂以及导电的固体聚合物颗粒或聚合物粉末，其中，所述方法确保高度大于12mm的大尺寸的绕组元件被均匀地浸渍。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，当所述聚合物分散体流过所述绕组元件(2)时，施加至少1.5巴的过压。
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