RU2649403C1 - Film capacitor - Google Patents
Film capacitor Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 81
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 40
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 6
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 150000002505 iron Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000002585 base Substances 0.000 claims description 16
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 12
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QXZUUHYBWMWJHK-UHFFFAOYSA-N [Co].[Ni] Chemical compound [Co].[Ni] QXZUUHYBWMWJHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 14
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 150000003378 silver Chemical class 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000010294 electrolyte impregnation Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
- H01G4/33—Thin- 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
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,
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,
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 
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 
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
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
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
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
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
Перемещение пленочной основы 1 осуществляют с заданной скоростью, которое контролируется скоростью ее перемотки.The movement of the
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
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
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
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,
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)
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)
| 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)
| 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 |
-
2017
- 2017-07-31 RU RU2017127255A patent/RU2649403C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| 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)
| 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 |
|---|---|---|
| KR101036164B1 (en) | composite electrode and method for manufacturing the same | |
| US4562511A (en) | Electric double layer capacitor | |
| Aghazadeh et al. | Electrosynthesis of highly porous NiO nanostructure through pulse cathodic electrochemical deposition: heat-treatment (PCED-HT) method with excellent supercapacitive performance | |
| TWI601330B (en) | Electrode material and energy storage apparatus | |
| 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 | |
| KR20220035082A (en) | Photoelectrode for modulating charge separation efficiency, its manufacturing method and device for photoelectrochemical water splitting | |
| RU2649403C1 (en) | Film capacitor | |
| RU2402830C1 (en) | Film condenser | |
| Soni et al. | Grafoil–Scotch tape-derived highly conducting flexible substrate and its application as a supercapacitor electrode | |
| US6865071B2 (en) | Electrolytic capacitors and method for making them | |
| KR101978415B1 (en) | Mesoporous three-dimensional nickel electrode, and high-performance flexible supercapacitor comprising same | |
| RU2686690C1 (en) | Film capacitor | |
| JP2004524686A (en) | Electrolytic capacitor and method for producing the same | |
| RU2308112C1 (en) | Multilayer anode film | |
| KR101060288B1 (en) | composite electrode and method for manufacturing the same | |
| RU2528010C2 (en) | Solid-state multi-component oxide-based supercapacitor | |
| RU2295448C2 (en) | Polyethylene terephthalate-based film material | |
| 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 |