RU2649403C1 - Film capacitor - Google Patents

Film capacitor Download PDF

Info

Publication number
RU2649403C1
RU2649403C1 RU2017127255A RU2017127255A RU2649403C1 RU 2649403 C1 RU2649403 C1 RU 2649403C1 RU 2017127255 A RU2017127255 A RU 2017127255A RU 2017127255 A RU2017127255 A RU 2017127255A RU 2649403 C1 RU2649403 C1 RU 2649403C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
dielectric
titanium
film capacitor
aluminum
Prior art date
Application number
RU2017127255A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Слепцов
Владимир Георгиевич Гофман
Александр Владиленович Гороховский
Дык Хоан Ву
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "РУСТ-Энерго"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "РУСТ-Энерго" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "РУСТ-Энерго"
Priority to RU2017127255A priority Critical patent/RU2649403C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2649403C1 publication Critical patent/RU2649403C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/33Thin- or thick-film capacitors 

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, and more particularly to layered film electrodes for electrolytic capacitors. Film capacitor comprises a multilayer electrode whose base with a developed surface through a adhesive metallizing nanolayer is bonded to the nanoscale coating in the form of at least two layers: functional one of titanium and / or aluminum, which is further enhanced by electrophoresis from a liquid medium, and the second one is a dielectric formed of aluminum and titanium oxides which contains, in the volume and at the boundaries of sections, metal nanoclusters of 0.5–50 nm, doped by means of electrical discharges in the liquid medium, wherein the surface of the dielectric is conformally covered with a layer of electrolyte. Fabric of yarns of carbon or graphene with a porosity of more than 1,000 m2/ g is used as a basis, and the thickness of the functional layer of its coating is developed to 200–250 nm, in the dielectric surface layer, formed by oxidation with formation of intrinsic oxides, clusters of magnetic metals of cobalt, nickel, and iron series are distributed by doping.
EFFECT: invention provides a capacitance of the film capacitor 3–5 times higher than in the known analogs, with a noticeable simplification of manufacturing process without laborious operations of corrugation of the substrate surface with obligatory application of a barrier layer.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным электродам для электролитических конденсаторов, слои которых имеют существенные отличия по составу и физической структуре.The invention relates to electrical engineering, and more particularly to layered film electrodes for electrolytic capacitors, the layers of which have significant differences in composition and physical structure.

Уровень данной области техники характеризует пленочный конденсатор, описанный в патенте RU 2525825 C1, H01G 4/30, 9/048, 11/26, 2014 г., который содержит токосъемник - алюминиевую фольгу, поверхность которой через барьерный слой развита посредством электродного материала из губчатого вентильного металла, пропитанного электролитом.The prior art is characterized by a film capacitor described in patent RU 2525825 C1, H01G 4/30, 9/048, 11/26, 2014, which contains a current collector - aluminum foil, the surface of which through the barrier layer is developed by means of an electrode material made of sponge valve metal impregnated with electrolyte.

Электродный материал выполнен многослойным, каждый композитный слой которого представляет собой пленочную основу с рифлениями 50-100 нм из губчатого титана толщиной 50-100 мкм, несущую на поверхности локальные шипы из нанокластеров вентильного металла для электроконтакта в примыкании между собой, при этом, начиная со второго, слой губчатого титана выполнен со сквозными порами размером 0,3-5,0 мкм суммарным объемом не менее 10-15% объема слоя.The electrode material is multilayer, each composite layer of which is a film base with corrugations of 50-100 nm from titanium sponge titanium with a thickness of 50-100 microns, bearing local spikes of valve metal nanoclusters on the surface for electrical contact in contact with each other, while starting from the second , the sponge titanium layer is made with through pores of a size of 0.3-5.0 μm with a total volume of at least 10-15% of the volume of the layer.

Конформный слой пористого титана с барьерным слоем на поверхности токосъемника связан гетеропереходом из композитных наночастиц, а барьерный слой на поверхности алюминиевой фольги выполнен из нитрида титана или алмазоподобного нанослоя из аморфного углерода α-C:H, которые связаны между собой посредством адгезионной прослойки, образованной противным распределением материалов примыкающих слоев, взаимно дополняющих друг друга по толщине.The conformal layer of porous titanium with a barrier layer on the surface of the current collector is connected by a heterojunction of composite nanoparticles, and the barrier layer on the surface of aluminum foil is made of titanium nitride or a diamond-like nanolayer of amorphous carbon α-C: H, which are interconnected by an adhesive layer formed by an opposite distribution materials of adjacent layers, mutually complementary to each other in thickness.

Барьерный слой между алюминиевой фольгой (токосъемником) и функциональным электродным материалом из губчатого титана, имеющего высокоразвитую поверхность, предотвращает их химическое взаимодействие и электрический контакт.The barrier layer between the aluminum foil (current collector) and the functional electrode material of sponge titanium having a highly developed surface prevents their chemical interaction and electrical contact.

Выполнение электродного материала многослойным из примыкающих друг к другу суперпористых рифленых пленок губчатого титана, которые посредством локальных токопроводящих шипов из нанокластеров вентильного металла (титана, меди, серебра) электрически связаны между собой и образуют монолитную слоистую структуру, характеризующуюся повышенной электроемкостью, которая прямо пропорционально зависит от площади и обратно пропорционально от толщины каждого функционального слоя суперпористого титана.The implementation of the electrode material is multilayer from adjacent to each other super-porous corrugated sponge titanium films, which are electrically connected by means of local conductive spikes from valve metal nanoclusters (titanium, copper, silver) and form a monolithic layered structure characterized by an increased electric capacity, which is directly proportional to area and inversely proportional to the thickness of each functional layer of superporous titanium.

Рифления пленок губчатого титана дополнительно увеличивают их рабочую поверхность и служат для размещения на них электроконтактных металлических шипов из нанокластеров титана.Corrugations of sponge titanium films further increase their working surface and serve to place electrical contact metal spikes from titanium nanoclusters on them.

При высоте рифлений каждого функционального слоя губчатого титана в электродном материале меньше 50 нм не достигается необходимое значение удельной емкости пленочного конденсатора.When the height of the corrugations of each functional layer of sponge titanium in the electrode material is less than 50 nm, the required value of the specific capacitance of the film capacitor is not achieved.

Выполнение рифлений поверхности слоев губчатого титана высотой более 100 нм технологически не оправдано, так как при этом необходимо полностью закрывать обрабатываемую поверхность губчатым титаном.Performing corrugations of the surface of sponge titanium layers with a height of more than 100 nm is not technologically justified, since it is necessary to completely cover the surface to be treated with sponge titanium.

При толщине каждого слоя губчатого титана меньше 50 мкм кратно снижается емкость электродного материала, которая заметно не превышает емкости штатных пленочных конденсаторов.When the thickness of each layer of sponge titanium is less than 50 μm, the capacitance of the electrode material decreases significantly, which noticeably does not exceed the capacity of regular film capacitors.

Электроперемычки, шунтирующие примыкающие прослойки электродного материала, выполнены осаждением из гидрозоля нанокластеров хорошо проводящих металлов, которые локально концентрируются и распределяются по поверхности, образуя рост электропроводящих шипов.The electrical jumpers, shunting adjacent layers of electrode material, are made by the deposition of hydroconsolid nanoclusters of well-conducting metals that are locally concentrated and distributed over the surface, forming a growth of conductive spikes.

Электроконтакт между нанопленками губчатого титана позволяет выполнить функциональный слой электродного материала пленочного конденсатора с многократно развитой поверхностью, что способствует повышению его показателей назначения.The electrical contact between the sponge titanium nanofilms makes it possible to perform a functional layer of the electrode material of the film capacitor with a multiply developed surface, which helps to increase its purpose.

Выполнение слоев электродного материала из губчатого титана, начиная со второго, со сквозными порами необходимо для протекания насквозь электролита при пропитке, чтобы обеспечить электрическое замыкание всех его слоев, образующих при этом функциональную монолитность.The execution of layers of sponge titanium electrode material, starting from the second, with through pores, is necessary for the electrolyte to flow through the impregnation to ensure electrical closure of all its layers, which form functional solidity.

Каждый слой губчатого титана, имеющий сквозные поры, позволяет повысить качество пропитки электролитом за счет перепада давления над поверхностями обрабатываемой фольги, что обеспечивает возможность использования для пропитки многослойного электродного материала твердый электролит.Each sponge titanium layer having through pores can improve the quality of electrolyte impregnation due to the pressure drop over the surfaces of the processed foil, which makes it possible to use solid electrolyte for impregnation of a multilayer electrode material.

Оптимальным поперечным размером сквозных отверстий пор в слоях губчатого титана является диапазон 0,3-5,0 мкм, при котором достигается максимальная величина удельной поверхности слоя и его удельной емкости.The optimum transverse size of the through holes of the pores in the sponge titanium layers is the range 0.3-5.0 μm, at which the maximum value of the specific surface of the layer and its specific capacity is achieved.

Суммарный объем сквозных пор в слоях губчатого титана составляет не менее 10-15% объема материала слоя для того, чтобы гарантированно обеспечить электрическую связь между ними в моноструктуре электродного материала для получения максимальной емкости пленочного конденсатора.The total volume of through pores in the sponge titanium layers is at least 10-15% of the volume of the material of the layer in order to guarantee electrical connection between them in the monostructure of the electrode material to obtain the maximum capacitance of the film capacitor.

При заполнении пропиткой пор прослоек губчатого титана электролитом на границе раздела титан-электролит возникает двойной электрический слой, обеспечивающий электропроводность электродного материала в целом.When impregnation pores of sponge titanium layers are filled with electrolyte, a double electric layer appears at the titanium-electrolyte interface, which ensures the electrical conductivity of the electrode material as a whole.

Однако продолжением отмеченных недостатков являются присущие недостатки, в частности, при максимальной толщине слоев в электродном материале из губчатого титана происходит неизбежное зарастание пор, в результате чего ухудшается качество пропитки электродного материала электролитом и снижается его удельная поверхность.However, the noted drawbacks are continued with inherent drawbacks, in particular, with the maximum thickness of the layers in the sponge titanium electrode material, inevitable pore overgrowth occurs, as a result of which the quality of impregnation of the electrode material with electrolyte decreases and its specific surface decreases.

Рифленая поверхность алюминиевой фольги химически нестойка по отношению к электролиту, вступая с ним в реакцию, динамично сокращая функциональность пленочного конденсатора, не обеспечивая практический срок его эксплуатации по назначению. Этому препятствует формирование на рабочей поверхности алюминиевой фольги, предварительно очищенной и активированной посредством ионной обработки, через прослойку барьерного нано слоя из нитрида титана или аморфного углерода слоя губчатого титана, что заметно усложняет техпроцесс, ограничивая промышленное производство пленочных конденсаторов.The corrugated surface of aluminum foil is chemically unstable with respect to the electrolyte, reacting with it, dynamically reducing the functionality of the film capacitor, not ensuring the practical term of its operation as intended. This is prevented by the formation on the working surface of aluminum foil, previously cleaned and activated by ion treatment, through a layer of a barrier nano-layer of titanium nitride or amorphous carbon, a layer of sponge titanium, which significantly complicates the process, limiting the industrial production of film capacitors.

Более совершенным является пленочный конденсатор по патенту RU 2402830 C1, H01G 4/33, B82B 1/00, 2010 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.More perfect is the film capacitor according to the patent RU 2402830 C1, H01G 4/33, B82B 1/00, 2010, which is selected by technical essence and the number of matching features as the closest analogue to the proposed one.

Известный пленочный конденсатор содержит многослойную анодную фольгу с высокоразвитой поверхностью, на которой адгезионно закреплена оболочка диэлектрика, покрытого слоем твердого электролита.Known film capacitor contains a multilayer anode foil with a highly developed surface on which the shell of the dielectric coated with a layer of solid electrolyte is adhesively fixed.

В качестве основы использован рулонный материал из полиэтиленте-рефталата (ПЭТФ), предварительно модифицированный рифлением поверхности и сквозными порами размером 0,2-6,0 мкм, на который методом ионно-плазменной технологии осаждают алмазоподобный нанослой, металлическое покрытие из меди или алюминия и губчатый слой вентильного металла толщиной 5-50 нм.A roll material made of polyethylene rephthalate (PET) was used as the base, pre-modified by surface corrugation and through pores of 0.2-6.0 μm in size, onto which a diamond-like nanolayer, a metal coating of copper or aluminum and a sponge are deposited by ion-plasma technology a layer of valve metal with a thickness of 5-50 nm.

Далее формируется через гетеропереход слой алюминия, меди или серебра толщиной 25-250 нм.Then a layer of aluminum, copper or silver 25–250 nm thick is formed through a heterojunction.

Слой вентильного металла доращивается за счет электрофореза из жидкой среды, в которой распределены кластеры соответствующего металла.The valve metal layer is grown by electrophoresis from a liquid medium in which clusters of the corresponding metal are distributed.

Медь и серебро могут применяться в тех случаях, когда надо иметь более высокую теплопроводность или электрическую проводимость для снижения внутреннего сопротивления пленочного конденсатора.Copper and silver can be used in cases where it is necessary to have higher thermal conductivity or electrical conductivity to reduce the internal resistance of the film capacitor.

Затем на сформированную подложку наносят слой губчатого алюминия толщиной 0,5-20 мкм, включающий поры диаметром от десятков нанометров до микрометров в зависимости от назначения конденсатора.Then, a layer of sponge aluminum with a thickness of 0.5-20 μm is applied to the formed substrate, including pores with a diameter of tens of nanometers to micrometers, depending on the purpose of the capacitor.

При этом растущий слой осаждаемого на материале подложки вентильного металла обрабатывается ионами аргона или кислорода для создания гетероперехода в виде наноструктурированной композиции, включающей атомы пористого алюминия и материала подложки. Ионно-уплотненный гетеропереход обеспечивает высокую адгезию соединения осаждаемого губчатого слоя алюминия с монолитным алюминием подложки и служит барьером, предотвращая миграционные процессы.In this case, the growing layer of valve metal deposited on the substrate material is treated with argon or oxygen ions to create a heterojunction in the form of a nanostructured composition, including atoms of porous aluminum and substrate material. The ion-sealed heterojunction ensures high adhesion of the compound of the deposited spongy aluminum layer to the monolithic aluminum of the substrate and serves as a barrier, preventing migration processes.

При ассистировании магнетронного напыления губчатого слоя алюминия ионами инертного газа аргона стимулируется диффузия композиции гетероперехода, что обеспечивает равномерность взаимного распределения структурных элементов примыкающих слоев. Наночастицы, состоящие из атомов токопроводящего металла подложки, прорастают в наночастицы напыляемого алюминия, которые образуют гетеропереход, адгезионный слой с барьерными свойствами.Assisting magnetron sputtering of a spongy aluminum layer with argon inert gas ions, diffusion of the heterojunction composition is stimulated, which ensures uniform distribution of structural elements of adjacent layers. Nanoparticles, consisting of atoms of the conductive metal of the substrate, grow into nanoparticles of sprayed aluminum, which form a heterojunction, an adhesive layer with barrier properties.

Ассистирование ионами кислорода, химически активного газа, обеспечивает достижение управляемой электрохимической активности слоя вентильного металла. В результате на гетеропереходе формируется объемно пористый слой алюминия, характеризующегося кратным увеличением поверхности подложки, что необходимо для взаимодействия с электролитом конденсатора.Assisted by oxygen ions, a chemically active gas, provides a controlled electrochemical activity of the valve metal layer. As a result, a volume-porous layer of aluminum is formed at the heterojunction, characterized by a multiple increase in the surface of the substrate, which is necessary for interaction with the electrolyte of the capacitor.

Полученный электродный полуфабрикат помещают в гидрозоль, содержащий кластеры серебра, алюминия или титана размером 0,5-5,0 нм. Затем посредством импульсных дуговых разрядов наносится тонкий слой кластеров серебра, создавая барьерный слой между губчатым слоем алюминия и оболочкой диэлектрика, которая формируется далее.The resulting electrode semi-finished product is placed in a hydrosol containing clusters of silver, aluminum or titanium with a size of 0.5-5.0 nm. Then, by means of pulsed arc discharges, a thin layer of silver clusters is deposited, creating a barrier layer between the spongy layer of aluminum and the dielectric sheath, which is further formed.

Слой серебра конформно располагается по поверхности губчатого слоя алюминия, с которым он монолитно связывается.The silver layer is conformally located on the surface of the spongy layer of aluminum with which it monolithically binds.

Затем сверху осаждаются кластеры алюминия или титана, которые подвергаются оксидированию с поверхности, формируя слой диэлектрика.Then, aluminum or titanium clusters are deposited from above, which undergo oxidation from the surface, forming a dielectric layer.

Описанную технологическую последовательность операций по осаждению серебра и алюминия/титана повторяют для формирования дополнительных слоев, образующих между слоями алюминия на анодной фольге и слоем твердого электролита, как минимум, два слоя диэлектрика (оксиды алюминия и/или титана), разделенных прослойкой из кластеров серебра.The described technological sequence of operations for the deposition of silver and aluminum / titanium is repeated to form additional layers, forming between the layers of aluminum on the anode foil and the layer of solid electrolyte, at least two layers of dielectric (aluminum and / or titanium oxides) separated by a layer of silver clusters.

Первый слой диэлектрика получается за счет процесса электрохимического окисления (анодирования) слоев алюминия и/или титана, а далее наносится слой жидкой керамики (Al2O3, TixOy) для формирования по золь-гель технологии оболочки заданной толщины, до 100 нм.The first dielectric layer is obtained due to the process of electrochemical oxidation (anodization) of aluminum and / or titanium layers, and then a layer of liquid ceramics (Al 2 O 3 , Ti x O y ) is applied to form a shell with a given thickness using sol-gel technology, up to 100 nm .

На поверхность диэлектрика наносится слой твердого электролита, завершая изготовление многослойного пленочного конденсатора, пригодного для использования в приборах различного назначения.A layer of solid electrolyte is applied to the surface of the dielectric, completing the manufacture of a multilayer film capacitor suitable for use in devices for various purposes.

Недостатками известного пленочного конденсатора являются ограничение достигаемой емкости не выше 4 В и технологическая сложность изготовления из-за трудоемкой операции развития поверхности несущей основы и формирования на ее развитой поверхности надежного барьерного слоя, исключающего электрический контакт с электролитом.The disadvantages of the known film capacitor are the limitation of the attainable capacity of not higher than 4 V and the technological complexity of manufacturing due to the time-consuming operation of developing the surface of the carrier base and forming a reliable barrier layer on its developed surface, eliminating electrical contact with the electrolyte.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение удельной электрической емкости пленочного конденсатора до промышленно целесообразной, при сопутствующем снижении его потребительской стоимости от упрощения технологии изготовления.The technical problem to which the present invention is directed is to increase the specific electric capacitance of a film capacitor to industrially feasible, with a concomitant decrease in its consumer value from simplification of manufacturing technology.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пленочном конденсаторе, содержащем многослойный электрод, основа которого с развитой поверхностью через адгезионный металлизирующий нанослой скреплена с наноразмерным покрытием в форме, как минимум, двух слоев: функционального из титана и/или алюминия, который дополнительно наращивается посредством электрофореза из жидкой среды, и второй - диэлектрик, сформированный из оксидов алюминия и титана, который содержит в объеме и на границах разделов нанокластеры металла размером 0,5-50 нм, допируемые посредством электрических разрядов в жидкой среде, при этом поверхность диэлектрика конформно покрыта слоем электролита, согласно изобретению, в качестве основы использована ткань из нитей углерода или графена с пористостью выше 1000 м2/г, а толщина функционального слоя ее покрытия развита до 200-250 нм, в диэлектрическом поверхностном слое которого, сформированном окислением с образованием собственных оксидов, распределены допированные кластеры магнитных металлов ряда кобальт, никель, железо.The required technical result is achieved by the fact that in a known film capacitor containing a multilayer electrode, the base of which with a developed surface is bonded with an adhesive metallizing nanolayer with a nanoscale coating in the form of at least two layers: functional of titanium and / or aluminum, which is additionally grown by electrophoresis from a liquid medium, and the second is a dielectric formed from aluminum and titanium oxides, which contains metal nanoclusters in the volume and at the interfaces rum 0.5-50 nm dopiruemye by electrical discharges in a liquid medium, wherein the dielectric surface is conformally coated with an electrolyte layer according to the invention is used as a base cloth of carbon or graphite filament with a porosity of greater than 1000 m 2 / g, and the thickness of the functional its coating layer is developed up to 200-250 nm, in the dielectric surface layer of which, formed by oxidation with the formation of its own oxides, doped clusters of magnetic metals of the cobalt, nickel, and iron series are distributed.

Другой особенностью пленочного конденсатора является то, что нанокластеры в структуре слоя диэлектрика выполнены из сплавов магнитных металлов, например, никель-кобальт, диэлектрик в виде собственных оксидов на поверхности слоя титана синтезирован в форме полититанатов калия при обработке щелочью, в частности, в виде слоистой, чешуйчатой структуры K2Ti4O9, а основа металлизирована серебром или никелем.Another feature of the film capacitor is that the nanoclusters in the structure of the dielectric layer are made of alloys of magnetic metals, for example, nickel-cobalt, the dielectric in the form of intrinsic oxides on the surface of the titanium layer is synthesized in the form of potassium polytitanates when treated with alkali, in particular, in the form of layered, flake structure K 2 Ti 4 O 9 , and the base is metallized with silver or nickel.

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили емкость пленочного конденсатора в 3-5 раз выше, чем по известным аналогам, которая достигает 14-20 В, при заметном упрощении процесса изготовления без трудоемких операций рифления поверхности основы с обязательным нанесением барьерного слоя, что определяет их промышленную пригодность для практического использования.Distinctive features of the proposed technical solution provided the capacitance of the film capacitor 3-5 times higher than by known analogues, which reaches 14-20 V, while significantly simplifying the manufacturing process without laborious operations of corrugating the base surface with the obligatory application of a barrier layer, which determines their industrial suitability for practical use.

Использование в качестве основы ткани из нитей углерода или графена с удельной поверхностью выше 1000 м2/г позволило исключить трудоемкие прецизионной точности операции по геометрическому развитию поверхности основы, которая выполняет функции матрицы многослойного пленочного материала.The use of fabric made of carbon or graphene filaments with a specific surface above 1000 m 2 / g as a basis made it possible to exclude time-consuming precision precision operations for the geometric development of the base surface, which performs the functions of a matrix of a multilayer film material.

В качестве основы пленочного конденсатора предложены технически существующие тканые материалы из волокон углерода марки «Бусофит» или из волокон графена, имеющие удельную поверхность выше 1000 м2/г, что гарантирует получение высокой емкости в соответствии с прямо пропорциональной зависимостью, согласно формуле

Figure 00000001
(S - площадь поверхности пленочного электрода).Technically existing woven materials from carbon fibers of the Busofit brand or from graphene fibers having a specific surface area above 1000 m 2 / g are proposed as the basis for the film capacitor, which ensures a high capacity in accordance with a directly proportional relationship, according to the formula
Figure 00000001
(S is the surface area of the film electrode).

Толщина слоя диэлектрика пропорционально повышает рабочее напряжение конденсатора, энергоемкость которого вырастает.The thickness of the dielectric layer proportionally increases the operating voltage of the capacitor, the energy intensity of which grows.

Развитие толщины функционального слоя покрытия основы из алюминия или титана до 200-250 нм средствами электрофореза из жидкой среды, в которой взвешены кластеры допируемых металлов, необходимо для увеличения энергоемкости конденсатора за счет роста напряжения, в соответствии с формулой

Figure 00000002
, где U - напряжение в конденсаторе.The development of the thickness of the functional layer of the coating of a base of aluminum or titanium up to 200-250 nm by electrophoresis from a liquid medium in which clusters of doped metals are weighed is necessary to increase the energy intensity of the capacitor due to voltage growth, in accordance with the formula
Figure 00000002
where U is the voltage in the capacitor.

Энергоемкость конденсатора также зависит от коэффициента проницаемости диэлектрика: чем он выше, тем больше энергоемкость конденсатора, поэтому для увеличения диэлектрической проницаемости диэлектрика вводятся кластеры магнитных металлов.The energy intensity of the capacitor also depends on the dielectric constant: the higher it is, the greater the energy intensity of the capacitor; therefore, clusters of magnetic metals are introduced to increase the dielectric constant of the dielectric.

В качестве допантов кластеров магнитных металлов, которые повышают коэффициент диэлектрической проницаемости слоя диэлетрика, в изобретении использованы кластеры кобальта, никеля, железа.As dopants of magnetic metal clusters, which increase the dielectric constant of the dielectric layer, the invention uses clusters of cobalt, nickel, and iron.

Для равномерного распределения нанокластеров магнитных металлов размером 5-50 нм практикой определена минимальная толщина функционального слоя размером 200 нм, максимальная толщина которого размером 250 нм ограничена потерей его пластичности при росте дефектности, связанных с технологическими сложностями при допировании в более толстый слой.For a uniform distribution of magnetic metal nanoclusters of 5-50 nm in size, the practice has determined the minimum thickness of a functional layer of 200 nm in size, the maximum thickness of which is 250 nm in size is limited by the loss of its plasticity with increasing defects due to technological difficulties when doping into a thicker layer.

Выбор в качестве магнитных металлов для допирования в виде нанокластеров в поверхность и объем слоя диэлектрика продиктован тем, что эти материалы максимально увеличивают коэффициент диэлектрической проницаемости в сравнении с другими материалами.The choice as magnetic metals for doping in the form of nanoclusters into the surface and the volume of the dielectric layer is dictated by the fact that these materials maximize the coefficient of dielectric constant in comparison with other materials.

Размещение в поверхностном слое диэлектрика допирующих элементов создает дополнительный рост диэлектрической проницаемости, что также способствует росту энергоемкости конденсаторной структуры.The placement of doping elements in the surface layer of the dielectric creates an additional increase in the dielectric constant, which also contributes to an increase in the energy intensity of the capacitor structure.

Формирование диэлектрика посредством окисления алюминия и/или титана с образованием собственных окислов Al2O3, TixOy заметно упростило технологию изготовления промышленных пленочных конденсаторов при снижении их потребительской стоимости.The formation of a dielectric through the oxidation of aluminum and / or titanium with the formation of its own oxides Al 2 O 3 , Ti x O y significantly simplified the manufacturing technology of industrial film capacitors while reducing their consumer cost.

Хорошо текучие серебро или никель при осаждении на поверхность углеродной тканевой основы металлизирует ее, заполняя поровое пространство между нитями, в результате чего формируется прочная механическая и электрическая связь основы с адгезионным подслоем, на который затем осаждается слой вентильного металла.Well-flowing silver or nickel, when deposited on the surface of a carbon fabric base, metallizes it, filling the pore space between the threads, as a result of which a strong mechanical and electrical connection of the base with an adhesive sublayer is formed, on which a layer of valve metal is then deposited.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.Therefore, each essential feature is necessary, and their combination in a stable relationship is sufficient to achieve the novelty of quality that is not inherent in the signs of disunity, that is, the technical problem posed in the invention is not solved by the sum of the effects, but by a new effect of the sum of the attributes.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы, где схематично изображен предложенный пленочный конденсатор:The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, which has a purely illustrative purpose and does not limit the amount of claims of the set of essential features of the formula, where the proposed film capacitor is schematically depicted:

1 - основа из высокопористой ткани нитей углерода или графена;1 - the basis of highly porous fabric of carbon or graphene filaments;

2 - пропитка основы 1 с адгезионным подслоем из никеля или серебра;2 - impregnation of the base 1 with an adhesive sublayer of nickel or silver;

3 - функциональный слой титана или алюминия;3 - a functional layer of titanium or aluminum;

4 - слой диэлектрика из собственных окислов Al2O3, TixOy;4 - a dielectric layer of intrinsic oxides Al 2 O 3 , Ti x O y ;

5 - кластеры кобальта, никеля или железа;5 - clusters of cobalt, nickel or iron;

6 - электролит.6 - electrolyte.

Перед изготовлением электродной ленты по рулонной технологии откачивают вакуумную камеру до давления около 1⋅10-5 мм рт. ст.Before manufacturing of the electrode by a tape roll technology vacuum chamber was evacuated to a pressure of about 5 mmHg 1⋅10-. Art.

Затем в ионный источник подают инертный газ аргон в смеси с кислородом до давления 8⋅10-4 - 1⋅10-3 мм рт. ст. и включают ионный источник, на который подается напряжение 3 кВ.Then, in the ion source of the inert argon gas mixed with oxygen to a pressure 8⋅10-4 - 1⋅10- 3 mm Hg. Art. and include an ion source to which a voltage of 3 kV is applied.

Пленочный рулонный материал типа «Бусофит» или из графеновых волокон помещают в вакуумную камеру с системой перемотки ленты для последовательного перемещения относительно ионно-плазменных источников, проводя вышеописанные технологические операции.The film roll material of the Busofit type or from graphene fibers is placed in a vacuum chamber with a tape rewinding system for sequential movement relative to ion-plasma sources, carrying out the above-described technological operations.

Одновременно включаются магнетроны, которые обеспечивают послойное нанесение адгезионного слоя 2 из никеля или серебра, а затем слоя 3 из титана или алюминия.At the same time, magnetrons are switched on, which provide a layer-by-layer deposition of an adhesive layer 2 of nickel or silver, and then layer 3 of titanium or aluminum.

Нанесение слоев 2 и 3 осуществляют в той же газовой среде и при том же давлении, что и процесс очистки и металлизации.The application of layers 2 and 3 is carried out in the same gas medium and at the same pressure as the cleaning and metallization process.

Осажденный слой металла состоит из адгезионного подслоя 2, никель или серебро которого заполняет поровое пространство основы 1, со всех сторон полностью покрывая ее нити, и функционального слоя 3.The deposited metal layer consists of an adhesive sublayer 2, the nickel or silver of which fills the pore space of the base 1, completely covering its threads on all sides, and the functional layer 3.

Перемещение пленочной основы 1 осуществляют с заданной скоростью, которое контролируется скоростью ее перемотки.The movement of the film base 1 is carried out at a given speed, which is controlled by the speed of its rewind.

В технологическом оборудовании предусмотрены очистка и нанесение металлов в разных вакуумных вакуумных камерах, что дает возможность варьировать составы газов и давление в зависимости от требуемых свойств получаемого покрытия. Например, если слой 3 из титана нужно получить пористым, развивая его поверхность, давление технологического газа увеличивают до 6⋅10-3 мм рт. ст., а его состав варьируют в пределах до 40 об. % кислорода в среде аргона.The technological equipment provides for cleaning and applying metals in different vacuum vacuum chambers, which makes it possible to vary the composition of gases and pressure depending on the required properties of the resulting coating. For example, if layer 3 of titanium needs to be made porous by developing its surface, the pressure of the process gas is increased to 6⋅10 -3 mm Hg. Art., and its composition varies within 40 vol. % oxygen in argon.

Режим работы магнетронного устройства устанавливают по напряжению 400-600B, а ток разряда - в зависимости от размеров и конструкции достигает 25-30A.The operation mode of the magnetron device is set at a voltage of 400-600V, and the discharge current, depending on the size and design, reaches 25-30A.

Формирование слоя 4 проводят доращиванием титана или алюминия за счет электрофореза в жидкой среде, в которой взвешены кластеры 5 кобальта, никеля, железа или их сплавов с размерами 5-50 нм. Эти кластеры 5 допируют в объем слоя 4 толщина которого составляет 200-250 нм.The formation of layer 4 is carried out by growing titanium or aluminum due to electrophoresis in a liquid medium in which clusters of 5 cobalt, nickel, iron or their alloys with sizes of 5-50 nm are suspended. These clusters 5 are doped into the volume of layer 4 whose thickness is 200-250 nm.

Затем проводят операцию электрохимического оксидирования для увеличения диэлектрической проницаемости выращенного на поверхности слоя 3 слой 4 диэлектрика.Then, an electrochemical oxidation operation is carried out to increase the dielectric constant of the dielectric layer grown on the surface of the layer 3.

Качество формируемого материала проверяют, измеряя удельную величину поверхности, диэлектрическую проницаемость и величину пробивного напряжения.The quality of the formed material is checked by measuring the specific surface area, dielectric constant and breakdown voltage.

Затее на слое 4 конформно помещают слой 6 электролита за счет операции вакуумной пропитки, завершая изготовление пленочного конденсатора с большой емкостью.On the other hand, electrolyte layer 6 is conformally placed on layer 4 due to the operation of vacuum impregnation, completing the manufacture of a film capacitor with a large capacity.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по электротехническим устройствам, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пленочных конденсаторов на действующем производстве, можно сделать вывод о соответствии его условиям патентоспособности.A comparative analysis of the proposed technical solution with the identified analogues of the prior art, from which the invention does not explicitly follow for a specialist in electrical devices, showed that it is unknown, and given the possibility of industrial serial production of film capacitors in an existing production, we can conclude that it patentability conditions.

Claims (4)

1. Пленочный конденсатор, содержащий многослойный электрод, основа которого с развитой поверхностью через адгезионный металлизирующий нанослой скреплена с наноразмерным покрытием в форме, как минимум, двух слоев: функционального из титана и/или алюминия, который дополнительно наращивается посредством электрофореза из жидкой среды, и второй - диэлектрик, сформированный из оксидов алюминия и титана, который содержит в объеме и на границах разделов нанокластеры металла размером 0,5-50 нм, допируемые посредством электрических разрядов в жидкой среде, при этом поверхность диэлектрика конформно покрыта слоем электролита, отличающийся тем, что в качестве основы использована ткань из нитей углерода или графена с пористостью выше 1000 м2/г, а толщина функционального слоя ее покрытия развита до 200-250 нм, в диэлектрическом поверхностном слое которого, сформированном окислением с образованием собственных оксидов, распределены допированные кластеры магнитных металлов ряда кобальт, никель, железо.1. A film capacitor containing a multilayer electrode, the base of which with a developed surface is bonded with an adhesive metallizing nanolayer with a nanoscale coating in the form of at least two layers: functional of titanium and / or aluminum, which is additionally grown by electrophoresis from a liquid medium, and the second - a dielectric formed of aluminum and titanium oxides, which contains in the volume and at the boundaries of sections metal nanoclusters with a size of 0.5-50 nm, doped by electric discharges in liquid medium, and the dielectric surface is conformally coated with an electrolyte layer, characterized in that the fabric of carbon or graphene filaments with porosity higher than 1000 m 2 / g is used as the basis, and the thickness of the functional layer of its coating is developed up to 200-250 nm, in the dielectric whose surface layer is formed by oxidation with the formation of its own oxides, doped clusters of magnetic metals of the cobalt, nickel, and iron series are distributed. 2. Пленочный конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что нанокластеры в структуре слоя диэлектрика выполнены из сплавов магнитных металлов, например, никель-кобальт.2. The film capacitor according to claim 1, characterized in that the nanoclusters in the structure of the dielectric layer are made of alloys of magnetic metals, for example, nickel-cobalt. 3. Пленочный конденсатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что диэлектрик в виде собственных оксидов на поверхности слоя титана синтезирован в форме полититанатов калия при обработке щелочью, в частности, в виде слоистой, чешуйчатой структуры K2Ti4O9.3. Film capacitor according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the dielectric in the form of native oxides on the surface of the titanium layer is synthesized in the form of potassium polytitanates when treated with alkali, in particular, in the form of a layered, scaly structure K 2 Ti 4 O 9 . 4. Пленочный конденсатор по любому из вышеперечисленных пунктов, отличающийся тем, что основа металлизирована серебром или никелем.4. Film capacitor according to any one of the above items, characterized in that the base is metallized with silver or nickel.
RU2017127255A 2017-07-31 2017-07-31 Film capacitor RU2649403C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127255A RU2649403C1 (en) 2017-07-31 2017-07-31 Film capacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127255A RU2649403C1 (en) 2017-07-31 2017-07-31 Film capacitor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2649403C1 true RU2649403C1 (en) 2018-04-03

Family

ID=61867219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017127255A RU2649403C1 (en) 2017-07-31 2017-07-31 Film capacitor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2649403C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2686690C1 (en) * 2018-08-28 2019-04-30 Общество с ограниченной ответственностью "Накопители Энергии Супер Конденсаторы" (ООО "НЭСК") Film capacitor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1005260A2 (en) * 1998-11-23 2000-05-31 MicroCoating Technologies, Inc. Formation of thin film capacitors
JP2001217135A (en) * 2000-02-03 2001-08-10 Murata Mfg Co Ltd Laminated ceramic electronic component and manufacturing method therefor
RU2308112C1 (en) * 2005-12-26 2007-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Восток" Multilayer anode film
RU2402830C1 (en) * 2009-09-17 2010-10-27 Владимир Владимирович Слепцов Film condenser
RU2015155301A (en) * 2015-12-23 2017-06-27 Юрий Викторович Зинин FILM CAPACITOR

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1005260A2 (en) * 1998-11-23 2000-05-31 MicroCoating Technologies, Inc. Formation of thin film capacitors
JP2001217135A (en) * 2000-02-03 2001-08-10 Murata Mfg Co Ltd Laminated ceramic electronic component and manufacturing method therefor
RU2308112C1 (en) * 2005-12-26 2007-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Восток" Multilayer anode film
RU2402830C1 (en) * 2009-09-17 2010-10-27 Владимир Владимирович Слепцов Film condenser
RU2015155301A (en) * 2015-12-23 2017-06-27 Юрий Викторович Зинин FILM CAPACITOR

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2686690C1 (en) * 2018-08-28 2019-04-30 Общество с ограниченной ответственностью "Накопители Энергии Супер Конденсаторы" (ООО "НЭСК") Film capacitor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI601330B (en) Electrode material and energy storage apparatus
Aghazadeh et al. Electrosynthesis of highly porous NiO nanostructure through pulse cathodic electrochemical deposition: heat-treatment (PCED-HT) method with excellent supercapacitive performance
KR101036164B1 (en) composite electrode and method for manufacturing the same
US4562511A (en) Electric double layer capacitor
KR970004301B1 (en) Electrode foil for electrolytic capacitor and process of manufacture thereof
Patil et al. Fabrication of ultra-high energy and power asymmetric supercapacitors based on hybrid 2D MoS 2/graphene oxide composite electrodes: a binder-free approach
JP5665730B2 (en) Electrolytic capacitor and manufacturing method thereof
CN1650375A (en) Electrode and method for the production thereof
JPH10509560A (en) High performance double layer capacitor with aluminum and carbon composite electrodes
Klankowski et al. Higher-power supercapacitor electrodes based on mesoporous manganese oxide coating on vertically aligned carbon nanofibers
WO2009125620A1 (en) Capacitor and method for manufacturing the same
US20090202784A1 (en) Nanostructured Coating for a Carrying Base
RU2649403C1 (en) Film capacitor
RU2308112C1 (en) Multilayer anode film
Soni et al. Grafoil–Scotch tape-derived highly conducting flexible substrate and its application as a supercapacitor electrode
RU2402830C1 (en) Film condenser
KR101978415B1 (en) Mesoporous three-dimensional nickel electrode, and high-performance flexible supercapacitor comprising same
US6865071B2 (en) Electrolytic capacitors and method for making them
RU2686690C1 (en) Film capacitor
JP2004524686A (en) Electrolytic capacitor and method for producing the same
RU2295448C2 (en) Polyethylene terephthalate-based film material
KR101060288B1 (en) composite electrode and method for manufacturing the same
Sleptsov et al. Thin-film technology for creating flexible supercapacitor electrodes based on a carbon matrix
RU2528010C2 (en) Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor
RU2578129C1 (en) Film condenser

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190801

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200724