Пленочный конденсатор

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре. Пленочный конденсатор содержит разделенные диэлектриком пакетные электроды, полимерное основание которых выполнено из высокопористого рифленого материала, покрытого токопроводящим слоем, оснащенным токоотводом. Полимерная основа конденсаторной структуры выполнена из углеродных волокон бусофита, металлизированных с поверхности пористым слоем титана толщиной 0,2-2 мкм, а токоотводы толщиной 5-20 мкм выполнены композитными: бусофит и титановый слой с покрытием из высокопроводного металла, преимущественно меди, серебра. Повышение удельной энергоемкости многослойной пленочной структуры конденсатора (не менее 40 Вт·час/кг), при снижении внутреннего омического сопротивления, является техническим результатом изобретения. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре.

Уровень данной области техники характеризует описанный в патенте RU 2296055 С2, H01G 9/00; B82B 1/00, 2007 г. пленочный анод электролитического конденсатора из наноструктурированного композитного материала на основе высокомолекулярных соединений с использованием углерода.

Наноструктурированное токоведущее покрытие несущей углеродной основы пленочного анода выполнено из полиэтилентерефталата с высокоразвитой поверхностью, включающей рифления глубиной 10-30 нм и/или поры 0,2-6 мкм суммарным объемом 10-60%, при этом 1/5-1/3 часть пор выполнена сквозными.

Покрытие несущей основы связано непосредственно со слоем (5-50 нм) аморфного углерода sp-3 гибридизированного состояния атомов углерода и дополнительно имеет слой металла толщиной 25-250 нм, осаждаемого из паровой фазы в среде аргона, обеспечив максимальную адгезию с основой.

На токоведущее покрытие из алюминия или меди нанесен твердый электролит, формируя анод для компактных и электрически емких конденсаторов, в которых приложенная энергия запасается в тонком слое объемного заряда на границе электрод-электролит.

Электролитические конденсаторы, в которых используются аноды из полиэтилентерефталатной пленки с наноструктурированным композитным покрытием на модифицированной поверхности, характеризуются высокой удельной мощностью и стабильностью зарядно-разрядных характеристик в широком температурном интервале эксплуатации.

Недостатком описанного конденсатора является функциональная ненадежность из-за возможных отслоений автономных включений пористого вентильного металла по границам раздела, через которые во время эксплуатации проходят миграционные процессы взаимодиффузии, что приводит к нестабильности показателей назначения электролитического конденсатора и заметно снижает срок его службы.

Более совершенным пленочным конденсатором является описанный в патенте RU 2308112, H01G 9/04; B32B 15/04, 2007 г., который содержит размещенный на многослойной анодной пленке слой твердого электролита, адгезионно связанный с оксидным покрытием, имеющим включения вентильного металла.

Анодная пленка включает физически активированную токопроводящую подложку с развитой поверхностью и оксидное покрытие на конформном слое электрохимически активного алюминия, имеющего регулируемую объемную пористость, связанного с поверхностью подложки посредством гетероперехода, представляющего собой наноструктурированную композицию из материала подложки и напыленного вентильного металла.

Выполнение включений пористого алюминия в виде конформного слоя, подобного профилю подложки, в оксидном покрытии кратно увеличивает контактную поверхность взаимодействия с твердым электролитом пленочного конденсатора.

Оксидное покрытие в структуре пленочного конденсатора выполняет функции диэлектрика.

Под диэлектриком здесь следует понимать и двойной электрический слой, возникающий между двумя примыкающими средами - анодом и катодом в виде твердого электролита.

Вентильный металл в виде слоя покрытия обеспечил открытость высокопористой поверхности, доступной для заполнения электролитом, что позволяет использовать в конденсаторе твердый электролит, расширяя тем самым технологические возможности применения.

Наличие объемной пористости и создание ионной обработкой радиационных дефектов в слое вентильного металла приводит к повышению электрохимической активности материала, которая управляемо меняется за счет регулирования количества и размера пор в объеме напыляемого алюминия.

Сформированная таким образом пористая структура напыленного алюминиевого слоя более легко подвергается электрохимическому оксидированию, формируя слой диэлектрика, менее механически напряженного, что повышает функциональность конденсатора в целом.

При этом активность вентильного металла обеспечивает создание более толстого слоя качественного оксида для увеличения рабочего напряжения пленочного конденсатора повышенной емкости.

Этот пленочный конденсатор за счет улучшения механических характеристик, пластичности и адгезионной прочности монолитных соединений структурных составляющих имеет повышенную удельную емкость и напряжение функционирования более 600 B.

Однако дальнейший рост удельной емкости описанного пленочного конденсатора ограничен закономерностями электротехники.

Отмеченный недостаток исключен в пленочном конденсаторе усовершенствованной конструкции, выполняемой по штатной рулонной технологии действующего электродугового вакуумного оборудования, характеризующимся кратно повышенной удельной электрической емкостью, является описанный в патенте RU 2402830 C1, H01G 4/33; B82B 1/00, 2009 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран наиболее близким аналогом предложенному

Известный пленочный конденсатор содержит многослойную анодную фольгу с высокоразвитой поверхностью, на которой адгезионно закреплена оболочка диэлектрика, покрытая твердым электролитом.

В слое диэлектрика толщиной 2-100 нм диспергированы кластеры металла размером 0,5-50 нм, при этом между анодной фольгой и слоем твердого диэлектрика размещено, как минимум, два слоя диэлектрика, разделенных прослойкой из кластеров металла.

Слой диэлектрика сформирован осаждением кластеров металла из гидрозоля посредством импульсных дуговых разрядов последовательно кластеров серебра и кластеров алюминия и/или титана, которые затем на поверхности оболочки окисляют, соответственно в количестве (мас.%): 1-30 и 70-99.

Структурно известный пленочный электрод включает полимерную основу с рифленой высокопористой поверхностью алмазоподобного нанослоя, на который через гетеропереходы последовательно нанесены слой токоведущего алюминия и губчатого вентильного металла, прослойки серебра, разделенные диэлектриком (окисью алюминия, полимером) и покрытие из твердого электролита.

Каждый слой диэлектрика формируется толщиной 2-100 нм для увеличения электрической емкости анодной фольги, функциональный слой алюминия которой осаждается из технологического гидрозоля в форме кластеров размером 0,5-50 нм.

Минимальный размер осаждаемых кластеров алюминия ограничен для практического формирования оболочки диэлектрика, в которой исключены касания примыкающих слоев (металлического анода и электролита).

В оболочке диэлектрика толщиной 100 нм гарантированно размещаются кластеры металла размером 50 нм, при этом увеличивать слой диэлектрика нецелесообразно, потому что электрические характеристики губчатого металла существенно не изменяются.

Нанесение кластеров металла на подложку осуществляют осаждением из технологического гидрозоля, поэтому кластеры металлов размером более 100 нм образуют седиментационно неустойчивую взвесь.

Кластеры металлов меньше 2 нм не обеспечивают сплошности формируемого слоя, причем их изготовление технологически затруднительно.

Разделение слоев в оболочке диэлектрика прослойками из кластеров металлов обеспечивает соответствующее повышение его диэлектрической проницаемости за счет увеличения поляризуемости и, как следствие, рост удельной электрической емкости многослойного пленочного конденсатора.

Выполнение конформного слоя диэлектрика на поверхности губчатого металла анодной пленки последовательным осаждением кластеров серебра (1-30 мас.%), а затем кластеров алюминия и/или титана (70-99 мас.%), которые с поверхности окисляют, отработано экспериментально и обусловлено следующим.

Нетоковедущий слой оксидов служит матрицей диэлектрика, в которой распределены кластеры металла.

Кластеры серебра служат барьером, формирующим четкую границу примыкающих различных по функциям материалов: губчатый металл - серебро - диэлектрик, который образуется окислением алюминия и титана, расположенных на поверхности оболочки диэлектрика.

Содержание серебра менее 1 мас.% заметно не увеличивает электротехнических характеристик диэлектрика, в частности диэлектрической проницаемости, и не образует барьерного слоя на границе раздела.

При увеличении массового содержания серебра в слое свыше 30 мас.% снижается пробивное напряжение, что ухудшает показатели назначения пленочного конденсатора.

Продолжением достоинств известного многослойного пленочного конденсатора являются присущие недостатки: технологическая сложность изготовления, при высокой потребительской стоимости из-за больших капитальных вложений в специальное оборудование, и ограничение роста электротехнических параметров конденсатора.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является кратное повышение показателей назначения технологичного пленочного конденсатора, пригодного для серийного изготовления.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пленочном конденсаторе, содержащем разделенные диэлектриком пакетные электроды, полимерное основание которых выполнено из высокопористого рифленого материала, покрытого токопроводящим слоем, оснащенным токоотводом, согласно изобретению, полимерная основа выполнена из углеродных волокон бусофита, металлизированных с поверхности пористым слоем титана толщиной 0,2-2 мкм, а токоотводы толщиной 5-20 мкм выполнены композитными: бусофит и титановый слой с покрытием из высокопроводного металла, преимущественно меди, серебра.

Отличительные признаки предложенного технического решения кратно повысили удельную энергоемкость конденсаторной структуры (не менее 40 Вт·час/кг), при снижении внутреннего омического сопротивления.

Металлизация поверхности углеродных волокон основы конденсаторной пакетной структуры, состоящей из нескольких слоев, обеспечила кратное увеличение удельной энергоемкости (Вт·час/кг), при снижении внутреннего сопротивления (Ом).

Выполнение полимерной основы пленочного конденсатора из углеродных волокон бусофита 40 обеспечивает высокую удельную энергоемкость электролитической ячейки (более 10 Вт·час/кг) и технологичность ее изготовления.

Металлизация волокон бусофита с поверхности пористым слоем титана направлена на снижение внутреннего электрического сопротивления конденсатора для максимальной отдачи электрической энергии в нагрузку.

Пористый слой титана на внутренней поверхности волоконной структуры конденсаторного пакета необходим, чтобы электролит, который пропитывает высокопористый бусофит, обеспечивал электрический контакт между примыкающими слоями титанового покрытия и с каждым волокном бусофита. Титан выбран как металл, который химически не взаимодействует с электролитом.

Толщина титанового покрытия на поверхности углеродных волокон основы определялась опытным путем для достижения максимальных значений показателей назначения, согласно расчетам по математической модели планирования эксперимента, результаты которых получили подтверждение в оптимизированном диапазоне значений толщины адгезионного токопроводящего слоя.

Если использовать слой покрытия волокон бусофита пористым титаном толщиной менее 0,2 мкм, то не удается получить устойчивое минимальное электрическое сопротивление на контакте между двумя сопряженными друг с другом слоями бусофита.

Если слой пористого титана в покрытии будет больше 2 мкм, то сопротивление контакта двух сопряженных слоев бусофита перестает зависеть от толщины слоя пористого титана и дальнейшее увеличение его толщины становится экономически и технически нецелесообразным.

Выбор толщины токоотводов в диапазоне 5-20 мкм определен в соответствии с достигаемой токовой нагрузкой при минимальном времени разряда конденсаторной ячейки.

Токоотводы выбранной толщины обеспечивают прохождение максимального тока через него при температуре эксплуатации 50°C.

Выполнение токоотводов композитными, в форме последовательных высокопористых слоев бусофита, титана и меди/серебра, создает минимальное электрическое сопротивление на контакте бусофит-металл, сравнительно с накладными токоотводами, и обеспечивает увеличение в полтора-два раза удельной емкости электролитической ячейки.

Примыкающий толстый слой пористого титана на поверхности бусофита обеспечивает хороший электрический контакт с углеродным материалом основы.

Предложенная конструкция токосъемника обеспечивает отсутствие паразитных электрических емкостей, которые неизбежно появляются при использовании прижимных токосъемных устройств, снижая тем самым общее сопротивление электролитической ячейки и ее массогабаритные характеристики.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, который служит чисто иллюстративным целям и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы.

На чертеже изображена структурная схема предложенного конденсатора.

Каждый пакетный электрод 1 включает несколько слоев 2 углеродного волокна - бусофита 40, с поверхности покрытого прослойками 3 высокопористого титана толщиной 0,2-2 мкм.

Электроды 1 изолированы между собой диэлектриком 4, выполненным, например, из конденсаторной бумаги или полимерной мембраны.

На внешней прослойке 3 титана каждого электрода 1 ионно-дуговым осаждением сформирован толстый (суммарно 5-20 мкм) слой 5 меди или серебра, служащий токоотводом 6.

Сравнение предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Существенные отличия пленочного конденсатора не являются очевидными для специалистов по электротехнике, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.

Изготовление многослойных пленочных конденсаторов предложенной структуры в устойчивой взаимосвязи составляющих элементов возможно осуществлять на действующем автоматическом производстве серийно для использования в качестве промышленных источников тока.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.

Пленочный конденсатор, содержащий разделенные диэлектриком пакетные электроды, полимерное основание которых выполнено из высокопористого рифленого материала, покрытого токопроводящим слоем, оснащенным токоотводом, отличающийся тем, что полимерная основа выполнена из углеродных волокон бусофита, металлизированных с поверхности пористым слоем титана толщиной 0,2-2 мкм, а токоотводы толщиной 5-20 мкм выполнены композитными: бусофит и титановый слой с покрытием из высокопроводного металла, преимущественно меди, серебра.