一种集合式电容器及其制作方法与流程

本发明涉及电能储存技术领域，尤其涉及一种集合式电容器及其制作方法。

背景技术：

磁性电容器尤其是电容的容量，影响电子装备的执行效能和作业时间，尤其是发展电能存储量大的电容取代电池，有重量轻、体积小、无污染等优势，能改善现今人们的生活。

巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层(几个纳米厚)结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

利用巨磁阻效应做高效绝缘体，利用磁性电容做电容器，磁性电容的结构中包含的磁性层具有磁南极和磁北极，磁极化是磁体中磁畴综合反映的结果，由于磁性电容中磁性物质分布不均匀及磁极化强度不均匀等原因导致层状磁性层局部磁畴极化方向不同，磁极化方向是众多磁畴综合反映的结果，值得注意的是磁铁边缘存在磁力线，而这种磁力线因为磁铁内部磁畴的分布而闭合。

由于现有技术中的磁电容体积较大、质量大且容量小。因此，提供一种容量大，体积小，合理排布以提高空间利用效率的集合式电容器，有实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中磁电容体积较大、质量大、容量小、空间利用效率低的问题，提供一种集合式电容器及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，提供一种集合式电容器，包括：

外壳；

一至多个单体卷状电容，一至多个所述单体卷状电容于所述外壳内形成m行n列的阵列，m及n均为大于或等于1的正整数；

横向电路板，设置于所述外壳内，并设置于所述阵列第一行的外侧；

n条纵向电路板，n条所述纵向电路板的一端连接于所述横向电路板，n条所述纵向电路板分别设置于所述阵列的n列一侧。

在本发明所述的集合式电容器中，每个所述单体卷状电容均包括卷芯；

所述卷芯包括依次层叠的第一磁性层、第二磁性层、第一顺磁颗粒层、第一介电颗粒层、介电层、第二介电颗粒层、第二顺磁颗粒层、第三磁性层及第四磁性层。

在本发明所述的集合式电容器中，所述卷芯为卷状结构。

在本发明所述的集合式电容器中，所述第一磁性层的磁极化方向与所述第二磁性层的磁极化方向垂直；所述第一磁性层的磁极化方向与所述第四磁性层的磁极化方向平行；所述第二磁性层的磁极化方向与所述第三磁性层的磁极化方向平行。

在本发明所述的集合式电容器中，所述第一磁性层的磁极化方向与所述第四磁性层的磁极化方向相同或相反，所述第二磁性层的磁极化方向与所述第三磁性层的磁极化方向相同或相反。

在本发明所述的集合式电容器中，所述第一磁性层的磁极化方向与所述第四磁性层的磁极化方向为水平方向，所述第二磁性层的磁极化方向与所述第三磁性层的磁极化方向为垂直方向。

在本发明所述的集合式电容器中，每条所述纵向电路板均包括：

第一纵向电极；

第二纵向电极；

m个第一接线触脚，每个所述第一接线触脚均通过线路电性连接至所述第一纵向电极，m个所述第一接线触脚分别电性连接于位于所述阵列的m行及纵向电路板所在列一侧的单体卷状电容的第一磁性层；

m个第二接线触脚，每个所述第二接线触脚均通过线路电性连接至所述第二纵向电极，m个所述第二接线触脚分别电性连接于位于所述阵列的m行及纵向电路板所在列一侧的单体卷状电容的第四磁性层。

在本发明所述的集合式电容器中，所述横向电路板包括：

第一横向电极，电性连接于一至多个所述纵向电路板的第一纵向电极；

第二横向电极，电性连接于一至多个所述纵向电路板的第二纵向电极。

在本发明所述的集合式电容器中，所述第一磁性层、所述第二磁性层、所述第三磁性层及所述第四磁性层均包括一至多层磁性薄膜；

所述第一顺磁颗粒层及所述第二顺磁颗粒层均为顺磁金属颗粒堆积结构；

所述第一介电颗粒层及所述第二介电颗粒层均为介电物质颗粒堆积结构；

所述介电层包括一至多层介电物质薄膜。

另一方面，提供一种集合式电容器的制作方法，包括：

将一至多个单体卷状电容于外壳内形成m行n列的阵列，m及n均为大于或等于1的正整数；

将横向电路板设置在所述外壳内，并将所述横向电路板设置于所述阵列第一行的外侧；

将n条纵向电路板的一端连接于所述横向电路板，并将n条所述纵向电路板分别设置于所述阵列的n列一侧。

上述公开的一种集合式电容器及其制作方法具有以下有益效果：通过合理布置卷状电容并形成阵列，合理利用空间，并增加集合式电容器的容量；将原有的长方形平板磁电容绕卷成卷曲的形态以减小体积，便于制作。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种集合式电容器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的卷芯的结构剖面图；

图3为本发明一实施例提供的一种单体卷状电容的卷状结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的纵向电路板的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的横向电路板的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的充电电路的连接示意图；

图7为本发明一实施例提供的放电电路的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种集合式电容器1及其制作方法，其目的在于，通过层层叠合的方式，缠绕制成基本的单体电容器件，缠绕的直径依据电容容量要求进行，随后沿轴向进行切割，制成单体电容器元件，对切割的单体电容配以导电电路装置，根据实际情况和容量要求进行电容并联或串联组合，随后进行封装，封装后的集合式电容器1依据封装的单体电容器的数量进行对应的排列，采用并联和/或串联方式将每个单体电容连接起来，以作为电池使用。

参见图1，图1为本发明一实施例提供的一种集合式电容器1的结构示意图，该集合式电容器1包括外壳40、一至多个单体卷状电容10、横向电路板20及n条纵向电路板30。

一至多个所述单体卷状电容10于所述外壳40内形成m行n列的阵列，m及n均为大于或等于1的正整数；每个所述单体卷状电容10均包括卷芯100；参见图2，图2为本发明一实施例提供的卷芯100的结构剖面图，所述卷芯100包括依次层叠的第一磁性层101、第二磁性层102、第一顺磁颗粒层103、第一介电颗粒层104、介电层105、第二介电颗粒层106、第二顺磁颗粒层107、第三磁性层108及第四磁性层109。由于纳米颗粒堆积层状介质结构及具有三层结构的介电质结构可以有效降低磁性电容器的电导损耗和快速充电过程中的极化损耗，本申请提供有精细结构薄膜层的电容，内部总共有9层，结构上包含三个部分即第一极板、第二极板及电介质层，第一极板包含第一磁性层101、第二磁性层102和第一顺磁颗粒层103，第二极板包含第二顺磁颗粒层107、第三磁性层108和第四磁性层109，电介质层包含第一介电颗粒层104、介电层105和第二介电颗粒层106。

第一介电颗粒层104、第二介电颗粒层106和介电层105配置于第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107之间，用于储存电能。第一磁性层101和第四磁性层109用于约束电子逃逸。第二磁性层102、第三磁性层108、第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107用于存储电子，增加电容的电容量。第一介电颗粒层104、第二介电颗粒层106及具有剩余电极化强度的介电层105用于降低快速充电过程中出现的电导损耗和极化损耗。

所述第一磁性层101的磁极化方向与所述第二磁性层102的磁极化方向垂直；所述第一磁性层101的磁极化方向与所述第四磁性层109的磁极化方向平行；所述第二磁性层102的磁极化方向与所述第三磁性层108的磁极化方向平行。所述第一磁性层101的磁极化方向与所述第四磁性层109的磁极化方向相同或相反，所述第二磁性层102的磁极化方向与所述第三磁性层108的磁极化方向相同或相反。所述第一磁性层101的磁极化方向与所述第四磁性层109的磁极化方向为水平方向，所述第二磁性层102的磁极化方向与所述第三磁性层108的磁极化方向为垂直方向。例如：第一磁性层101和第四磁性层109的磁极化方向为水平方向，磁极化方向颗粒同向，也可以反向；第二磁性层102和第三磁性层108的磁极化方向平行，可以同向平行，也可以反向平行，且和第一磁性层101及第四磁性层109的磁极化方向垂直；第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107中为顺磁性颗粒材料制作，具有颗粒堆积结构，以提高磁性电容的表面积；第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106具有纳米颗粒堆积结构，介电层105具有剩余极化强度，该些结构利于降低该介电层105(第一介电颗粒层104、第二介电颗粒层106和介电层105)的电导损耗和极化损耗，保证电容快速充电。由于第二磁性层102和第三磁性层108的磁场分别对第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107有磁化作用，经过磁极化的第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107将分别对相接触的第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106的表面产生磁极化，该磁极化将分别提高第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106的介电常数，从而增加了该磁性电容器的容量。

所述第一磁性层101、所述第二磁性层102、所述第三磁性层108及所述第四磁性层109均包括一至多层磁性薄膜；所述第一顺磁颗粒层103及所述第二顺磁颗粒层107均为顺磁金属颗粒堆积结构，第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107可由顺磁性材料的金属颗粒堆积而成，因颗粒细微，可以极大增加这种结构的表面积，因而增加磁性电容的电容量，该颗粒层可以通过晶体生长的方式制成；所述第一介电颗粒层104及所述第二介电颗粒层106均为介电物质颗粒堆积结构；所述介电层105包括一至多层介电物质薄膜。例如：第一磁性层101和第四磁性层109以及第三磁性层108和第四磁性层109为磁性薄膜(铁基、镍基或钴基合金等材料，厚度为纳米级)，第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107可用铁基、镍基或钴基合金等材料纳米级粉末制备，第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106可由相对介电常数大的材料如钛酸钡或钛的氧化物制成，介电层105可由相对介电常数大的驻极体材料如钛酸钡或钛的氧化物制成。

当充电后，第一顺磁颗粒层103对第一介电颗粒层104进行磁极化，第二顺磁颗粒层107对第二介电颗粒层106进行磁化，第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106及介电层105中电子旋转方向整体趋于一致，且第二磁性层102和第三磁性层108远离介电层105的一侧磁极化方向会接近与第一磁性层101和第四磁性层109平行的状态，根据巨磁阻效应原理，电流将难以通过第一磁性层101和第四磁性层109，此时，电子将被约束在第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107之中，阻止其逃逸。

具有剩余极化率的介电层105的电极化方向将会趋于介电层105的极化方向，电能被存储在其中，由于电极化的电子旋转方向一致，且整体平行于由于第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107中的电荷产生的电场，在这个过程中第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106将难以通过电子，从而降低电导损耗，同时具有剩余极化方向的介电层105在没有明确原始剩余极化方向的情况下，外部由于电容电场的存在，其将降低极化损耗，实现快速充电时降低外部电场。该些结构的主要作用是提高介电质的电容率，从而提高电场能量的存储。

第一磁性层101和第四磁性层109在制作前期需要在外部磁场中顺切向方向磁化，以保证其最大限度保留磁性，磁化的方向应沿着易磁化方向。在进行这些薄膜层叠合时，并不要求第一磁性层101和第四磁性层109的磁化方向一致，只要磁化方向平行即可，即第一磁性层101和第四磁性层109的磁化方向可以一致或反向。

第一顺磁颗粒层103和第二顺磁颗粒层107分别被第二磁性层102和第三磁性层108磁化后，磁极化的方向将垂直于第一介电颗粒层104和第二介电颗粒层106以及介电层105所在的平面。

其中，第一磁性层101可以作为磁性电容的第一导电层，第二磁性层102可以作为该磁性电容的第二导电层。充电时，第二磁性层102和第一顺磁颗粒层103可以作为该磁性电容的第一电极，第二顺磁颗粒层107和第三磁性层108可以作为该磁性电容器第二电极。

由于该型磁性电容器利用了巨磁阻效应，且电容的极板颗粒特征及介电颗粒层的颗粒堆积结构均为薄层，产生巨磁电容效应，这种电容的容量大，体积小，重量轻，某种程度上可以取代电池使用，有实际需求。

参见图3，图3为本发明一实施例提供的一种单体卷状电容10的卷状结构示意图，即所述卷芯100为卷状结构。为了防止电极接触，在第一磁性层101或第四磁性层109之外敷设绝缘体薄膜，保证第一磁性层101和第四磁性层109在绕制过程中不相互接触，也就是说，绕制后的卷状电容为平行板磁性电容器。

参见图4，图4为本发明一实施例提供的纵向电路板30的结构示意图，n条所述纵向电路板30的一端连接于所述横向电路板20，n条所述纵向电路板30分别设置于所述阵列的n列一侧。每条所述纵向电路板30均包括第一纵向电极301、第二纵向电极302、m个第一接线触脚303及m个第二接线触脚304；

每个所述第一接线触脚303均通过线路电性连接至所述第一纵向电极301，m个所述第一接线触脚303分别电性连接于位于所述阵列的m行及纵向电路板30所在列一侧的单体卷状电容10的第一磁性层101；每个所述第二接线触脚304均通过线路电性连接至所述第二纵向电极302，m个所述第二接线触脚304分别电性连接于位于所述阵列的m行及纵向电路板30所在列一侧的单体卷状电容10的第四磁性层109。通过并联线路连接方式，最终将纵向阵列的单体电容器并联在一起，并引出第一纵向电极301和第二纵向电极302。例如：第一条纵向电路板30的第一个第一接线触脚303及第一个第二接线触脚304的一端均连接至第一纵向电极301，第一条纵向电路板30的第一个第一接线触脚303的另一端连接至第一行第一列的单体卷状电容10的第一磁性层101，第一条纵向电路板30的第一个第二接线触脚304的另一端连接至第一行第一列的单体卷状电容10的第四磁性层109；第一条纵向电路板30的第二个第一接线触脚303及第二个第二接线触脚304的一端均连接至第一纵向电极301，第一条纵向电路板30的第二个第一接线触脚303的另一端连接至第二行第一列的单体卷状电容10的第一磁性层101，第一条纵向电路板30的第二个第二接线触脚304的另一端连接至第二行第一列的单体卷状电容10的第四磁性层109；第二条纵向电路板30的第一个第一接线触脚303及第一个第二接线触脚304的一端均连接至第一纵向电极301，第二条纵向电路板30的第一个第一接线触脚303的另一端连接至第一行第一列的单体卷状电容10的第一磁性层101，第二条纵向电路板30的第一个第二接线触脚304的另一端连接至第一行第二列的单体卷状电容10的第四磁性层109……

参见图5，图5为本发明一实施例提供的横向电路板20的结构示意图；横向电路板20设置于所述外壳40内，并设置于所述阵列第一行的外侧；所述横向电路板20包括第一横向电极201及第二横向电极202。

第一横向电极201电性连接于一至多个所述纵向电路板30的第一纵向电极301；第二横向电极202电性连接于一至多个所述纵向电路板30的第二纵向电极302。

综上，该集合式电容器1通过纵向电路板30和横向电路板20中的电路实现内部单体电容器的并联结构，其外用绝缘材料制成外壳40，并将第一横向电极201和第二横向电极202引出外壳40之外。

图6为本发明一实施例提供的充电电路500的连接示意图。当本电池充电时，将集合式电容器1的第一横向电极201和第二横向电极202耦接至一电源501，此时电能会由电源501输入到第一介电颗粒层104、第二介电颗粒层106和介电层105中。

图7为本发明一实施例提供的放电电路600的连接示意图。当本电池放电时，将集合式电容器1的第一横向电极201和第二横向电极202耦接至负载601，此时电能将从第一介电颗粒层104、第二介电颗粒层106和介电层105向负载601输出。

另一方面，提供一种集合式电容器1的制作方法，包括步骤S1-S3：

S1、将一至多个单体卷状电容10于外壳40内形成m行n列的阵列，m及n均为大于或等于1的正整数；

S2、将横向电路板20设置在所述外壳40内，并将所述横向电路板20设置于所述阵列第一行的外侧；从图1中可以看出，横向电路板20设置在阵列的上侧，即阵列与外壳40之间的缝隙处。

S3、将n条纵向电路板30的一端连接于所述横向电路板20，并将n条所述纵向电路板30分别设置于所述阵列的n列一侧。例如：第一条纵向电路板30设置于阵列的第一列的右侧，第二条纵向电路板30设置于阵列的第二列的右侧，第三条纵向电路板30设置于阵列的第三列的右侧……第n条纵向电路板30设置于阵列的第n列的右侧。

以上，本发明提供的是一种集合式电容器1及其制作方法，由于巨磁效应的作用，加之可以不考虑磁致伸缩效应，同时利用颗粒层表面大，介电层105厚度薄等特点，该型磁性电容具有很大的电量。

本文提供了实施例的各种操作。在一个实施例中，所述的一个或操作可以构成一个或计算机可读介质上存储的计算机可读指令，其在被电子设备执行时将使得计算设备执行所述操作。描述一些或所有操作的顺序不应当被解释为暗示这些操作必需是顺序相关的。本领域技术人员将理解具有本说明书的益处的可替代的排序。而且，应当理解，不是所有操作必需在本文所提供的每个实施例中存在。

而且，本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。奉文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。