一种快速充电铝电解电容器及其制备方法与流程

本发明涉及一种电容器，尤其涉及一种快速充电铝电解电容器及其制备方法。

背景技术：

铝电解电容器主要用于滤波、旁路、耦合，其本身具有一定的耐电流冲击的能力。然而在现在的快节奏生活的背景下，能够快速充电已经成为各种产品的发展趋势。然而一般电容器在大电流冲击的情况下，会出现瞬间剧烈发热，从而造成电容器内部闪火或者防爆阀炸开失效。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够快速充电，并且稳定性好的快速充电铝电解电容器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种快速充电铝电解电容器，包括外壳、芯包和胶塞，所述芯包在含浸电解液后通过胶塞密封在外壳内；所述外壳的内壁上生成有一层绝缘膜；所述芯包由正极箔、负极箔和电解纸卷绕而成，所述负极箔的两侧边缘位于正极箔两侧边缘的内侧，所述电解纸的两侧边缘伸出正极箔的两侧边缘；所述外壳底部的内壳面设置有防爆槽，所述防爆槽正对芯包的底部，并且芯包底部与防爆槽之间设置有一层垫纸，所述芯包的最外层缠绕有一层或者多层透明胶带，并且透明胶带打满芯包的外侧面；所述外壳底部的外壳面平整并且印刷或者贴有一层标识膜。本发明中，对电容器的内部结构进行了新的设计。在本发明中，若外壳采用铝壳，则外壳内壁的绝缘膜可以是氧化铝；也可以是生成氧化铝绝缘膜后再涂覆的一层绝缘膜；若外壳采用的是铝质材料以外的其他材料，则需要在外壳的内壁上涂覆或者镀上一层绝缘膜。

在本发明中，防爆槽设置在外壳内部，这样外壳底部的外侧面就是一个平整的表面，使得产品的标识信息在外壳的底部贴上一层标识膜就可以了。传统的电容器产品的信息如正极标识、负极标识、容量和生产厂家等信息印刷或者以膜的形式镀在外壳底部的外侧面上。当本发明的电容器焊接在线路板上后，由于产品信息标识位于电容器的尾部，可以直接看到，非常方便；尤其是在线路板测试的时候，需要更换不同规格的电容器的时候。

在本发明中，垫纸能够将防爆槽和芯包隔离开，这样防爆槽的槽体边缘的光滑程度可以降低要求，使得外壳的加工方便。在垫纸的作用下槽体不会将芯包底部刮伤，并且在电容器出现爆炸的时候能够起到一定的缓冲作用，防止电解液直接喷到线路板上，给线路板带来损伤。

在本发明中，透明胶带打满芯包的外侧面，这样在生产的时候透明胶带能够对芯包起到很好的保护作用，防止芯包在进行含浸和组立的时候被磕碰而受到损伤。

所述电解液包括溶液体系和溶液体系，所述溶液体系和溶液体系的重量混合配比为1:4-7:3；所述溶液体系内含有质量百分数2%-15%的碳纳米管；所述溶液体系包括85%-95%的聚合单体、2%-20%的交联剂和0.1%-10%的热引发剂，所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种；所述聚合单体为含有双键的化合物或者是可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物。

本发明中，所述所述碳纳米管为用浓硫酸：浓硝酸=3:1的溶液处理的改性碳纳米管。

本发明中，所述交联剂包括甲基丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯、甲基丙烯酸甲酯的一种或多种；所述聚合单体包括丙烯酸、聚丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸乙酯的一种或多种。

本发明中，所述溶液体系还包括45%-65%的主溶剂、15%-25%的辅助溶剂、8-25%的主溶质、2%-5%的副溶质以及0.5%-3%的添加剂；所述主溶剂可以为乙二醇，所述辅助溶剂包括水、甘油、丙三醇、丙二醇和1，4-丁二醇的一种或多种。

本发明中，所述主溶质包括丁二酸、戊二酸、己二酸、己二酸铵、辛二酸铵、壬二酸铵、癸二酸铵、1,7-癸二酸铵、异癸二酸铵、烷基癸二酸铵、十二双酸铵、2-己基己二酸的一种或多种；所述副溶质包括硼酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、磷酸丁酯、磷酸单丁酯、五硼酸铵、苯二酸、对苯二酸、柠檬酸的一种或多种。

本发明中，所述添加剂包括硝基化合物，包括对硝基苯酚、邻硝基苯酚、间二硝基苯、对硝基苯甲醚或对硝基苯甲醇、次亚磷酸铵的一种或多种。

本发明使用的热引发剂为水溶性、无机类、中温型，可以均匀的溶解到电解液的溶剂中，可以得到均匀的凝胶态电解液，有效避免了其他类型引发剂不能均匀溶解到电解液溶剂中带来的局部聚合不充分、电容器内部短路等风险。

本发明采用溶液聚合的方式，热引发剂均匀的分散到溶剂中，在加热的情况下热引发剂自身发生分解，断裂，形成两个初始自由基，继而引发单体自由基发生聚合反应，得到的聚合体系的粘度比本体聚合低，混合和散热比较容易，生产操作和温度都易于控制，还可利用溶剂的蒸发以排除聚合热。

常用的有机过氧化物聚合引发剂（例如：α,α`-偶氮二异丁腈）在其自身发生分解反应产生自由基的同时会产生氮气而以在凝胶内部包裹气泡的状态进行固化，由于气泡的存在，难以得到均匀的凝胶状高分子。

本发明中，引发剂分子含有弱键，通过加热分解产生两个初级自由基，初级自由基接着引发单体产生自由基从而发生链引发反应发生聚合反应从而形成凝胶态。如图1所示为过硫酸盐引发剂加热分解成自由基的示意图。

聚合过程中引发作用分为以下几步:(1)引发剂在水相中分解成初始自由基；(2)初始自由基在水相（电解液在配制过程中甚至在配制完成后都会有水的存在）中引发聚合；(3)水相中的初始自由基单体扩散到乳胶粒中或单体液滴中；(4)自由基在乳胶粒中引发聚合，生成高分子聚合物，使得乳胶粒不断长大。

第一阶段一一乳胶粒生成期。从开始引发聚合,直至乳化剂形成的胶束消失,聚合速率递增。水相中产生的自由基扩散进入胶束内，进行引发、增长，不断形成乳胶粒,同时水相中单体也可以引发聚合,吸附乳化剂分子形成乳胶粒。随着引发聚合的继续进行，增溶胶束不断成核,乳胶粒不断增多或增大，当单体转化率15%左右，胶束全部消失，不再形成新的乳胶粒，以后引发聚合完全在乳胶粒内进行。

第二阶段一一恒速期。胶束消失后,聚合进入第二阶段。链引发、增长和终止反应继续在乳胶粒内进行，液滴仍起着仓库的作用,不断向乳胶粒供应单体。乳胶粒中单体浓度保持不变，加上乳胶粒数恒定,这一阶段的聚合速率也基本一定。单体转化率达50%左右，液滴全部消失，单体全部进入乳胶粒，开始转入第三阶段。

第三阶段一一降速期。乳胶粒内由单体和聚合物两部分组成，水中的自由基可以继续扩散到乳胶粒引发或终止，但单体再无补充来源，聚合速率将随乳胶粒内单体浓度的降低而降低，直至聚合完成。

本发明中，碳纳米管为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管表面接枝的聚醚胺和聚合物之间形成了交联网状结构，提高了电解液的力学性能；同时本发明中，碳纳米管表面接枝聚醚胺，与共聚物发生化学交联，有利于碳纳米管在聚合物中的风散。

本发明中，多壁碳纳米管表面接枝聚醚胺后，与凝胶电解液复合后，凝胶电解液的离子电导率提高，其阻抗减小，且由于碳纳米管的特殊几何结构，在凝胶电解液中可以吸附更多的电解液，这样电解液中的浓度高。

本发明中，所述正极箔的两侧边缘分别伸出负极箔两侧边缘0.5-1mm，所述电解纸的两侧边缘分别伸出正极箔两侧边缘0.5-1mm。本发明中，正极箔和负极箔的两侧边缘错位，这样就算是正极箔上的毛刺刺穿了电解纸也不会搭接到负极箔上从而导致短路。本发明中电解纸的两侧边缘分别伸出正极箔的两侧边缘，这样在大电流充电的时候能够增加电流的爬电距离。

本发明中，所述橡胶塞的底部设置有锯齿状或者点状的凸起，并且凸起与芯包伸出的电解纸紧密接触。本发明中，再说生产的时候灰尘或者金属屑掉落到橡胶塞上的时候由于凸起的存在，非常容易将其从橡胶塞上吹走。

本发明中，所述防爆槽的拐弯处设置成光滑的弧形面。

本发明的快速充电铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤：1）裁切，按照产品的设计尺寸裁切正极箔、负极箔和电解纸；

2）将正极箔、电解纸和负极箔卷绕成芯包，并且正极箔的两侧边缘分别伸出负极箔两侧边缘0.5-1mm，所述电解纸的两侧边缘分别伸出正极箔两侧边缘0.5-1mm；

3）在芯包的外侧面上缠绕一层或者多层透明胶带；

4）将芯包含浸电解液；

配置电解液：包括改性碳纳米管的制备，A、将碳纳米管加入到浓硫酸：浓硝酸=3:1的酸液中，用超声波处理30min，并剧烈搅拌 ；B、将温度在100min内缓慢加热到135摄氏度；C、待溶液冷却后，用等离子水稀释，并用20微米孔径的PVdF水性微孔滤膜在砂芯漏斗中过滤，用去离子水反复清洗至滤液PH值为7；然后将所得固体配成水溶液，静置24h，用旋转蒸发仪去除离子水，在70摄氏度真空烘箱中干燥48小时，得到羧基话的多壁碳纳米管；

D、在多壁碳纳米管中加入过量的氯化亚砜(SOCl2)，在60摄氏度的条件下回流24小时，得到干燥的酰氯化多壁碳纳米管；E、将酰氯化多壁碳纳米管与过量聚醚胺在110℃下反应48h，冷却后将溶液过滤，用丙酮反复洗涤以完全去除残余的聚醚胺；F、将E的产物置于40摄氏度的真空箱中干燥24小时，去除残余溶剂后保存，即得到用酸改性的聚醚胺接枝的多壁碳纳米管；

配制溶液体系，将主溶剂和辅助溶剂混合均匀后加热到90-120摄氏度，加入主溶质、副溶质和步骤1）制备的用酸改性的聚醚胺接枝的多壁碳纳米管，在超声波下混合均匀，在110-140摄氏度的温度下保温30-60分钟，冷却到100摄氏度加入添加剂，并冷却至室温；

配制溶液体系，将所用单体、交联剂依次加入配液槽中，混合搅拌均匀后，加入热引发剂，搅拌30-50分钟；

将溶液体系和溶液体系按照1:4-7:3的配比混合并搅拌10-30分钟，得到均匀、澄清的溶液；

通过真空含浸的方法，将芯包含浸步骤得到的均匀、澄清的溶液；

将步骤处理后的芯包放置在温度为65℃~105℃的烘箱内固化20分钟-4小时，得到含有凝胶态的电解液的快速充电铝电解电容器；

5）将步骤4）得到的芯包进行组立，在生成有绝缘膜的外壳内放置一层垫纸；通过橡胶塞将芯包密封在外壳内；

6）在外壳的底部贴上一层标识膜。

在本发明中，在外壳内放置一层垫纸，这样在电容器老化或者使用过程中，出现防爆槽开启的时候，电解液不会直接从防爆槽冲出，从而导致电解液污染线路板的情况。同时本发明中，标识膜的存在也可进一步的对电解液的冲击起到缓冲的作用，至少芯包不会随着电解液一起冲出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的快速充电铝电解电容器的电解液离子导电率高、阻抗小，这就能够减少大电流充电的时候电容器的发热。同时本发明中，正极箔、负极箔和电解纸两侧边缘的错位设置能够保证电容器的稳定性。

附图说明

图1为本发明快速充电铝电解电容器的结构示意图。

图2 为图1中A处的结构放大示意图。

图3为图1中B处的结构放大示意图。

图4为本发明中芯包展开后的结构示意图。

图5位本发明中防爆槽的结构示意图。

图例说明

1、外壳；2、芯包；3、橡胶塞；4、绝缘膜；5、正极箔；6、负极箔；7、电解纸；8、透明胶带；9、防爆槽；10、垫纸；11、标识膜；12、凸起。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例

如图1所示一种快速充电铝电解电容器，包括外壳1、芯包2和胶塞3，芯包2在含浸电解液后通过胶塞密封在外壳1内。如图3所示，外壳1的内壁上生成有一层绝缘膜4；芯包2由正极箔5、负极箔6和电解纸7卷绕而成，负极箔6的两侧边缘位于正极箔5两侧边缘的内侧，电解纸7的两侧边缘伸出正极箔5的两侧边缘。如图2和图5所示，外壳1底部的内壳面设置有防爆槽9，防爆槽9正对芯包2的底部，并且芯包2底部与防爆槽9之间设置有一层垫纸10，芯包2的最外层缠绕有一层或者多层透明胶带8；外壳1底部的外壳面平整并且印刷或者贴有一层标识膜11。本实施例中，橡胶塞3的底部设置有锯齿状或者点状的凸起12，并且凸起12与芯包2伸出的电解纸7紧密接触。防爆槽9的拐弯处设置成光滑的弧形面。

本实施例中，电解液包括溶液体系和溶液体系，溶液体系和溶液体系的重量混合配比为1:4-7:3；溶液体系内含有质量百分数5%的碳纳米管，碳纳米管为用浓硫酸：浓硝酸=3:1的溶液处理的改性碳纳米管。溶液体系包括85%的聚合单体、10%的交联剂和5%的热引发剂，热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种；聚合单体为含有双键的化合物或者是可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物。

本实施例中，交联剂为甲基丙烯酸-2-羟基乙酯。聚合单体为丙烯酸异丁酯。

本实施例中，溶液体系还包括50%的主溶剂、20%的辅助溶剂、20%的主溶质、4%的副溶质以及1%的添加剂；主溶剂可以为乙二醇，辅助溶剂为水、甘油、丙三醇、丙二醇和1，4-丁二醇的一种或多种。本实施例中，主溶质包括丁二酸、戊二酸、己二酸、己二酸铵、辛二酸铵、壬二酸铵、癸二酸铵、1,7-癸二酸铵、异癸二酸铵、烷基癸二酸铵、十二双酸铵、2-己基己二酸的一种或多种；副溶质包括硼酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、磷酸丁酯、磷酸单丁酯、五硼酸铵、苯二酸、对苯二酸、柠檬酸的一种或多种。

本实施例中，添加剂包括硝基化合物，包括对硝基苯酚、邻硝基苯酚、间二硝基苯、对硝基苯甲醚或对硝基苯甲醇、次亚磷酸铵的一种或多种。

如图4所示，正极箔5的两侧边缘分别伸出负极箔6两侧边缘0.8mm，电解纸7的两侧边缘分别伸出正极箔5两侧边缘0.8mm。

本实施例的快速充电铝电解电容器的制备方法，包括以下步骤：1）裁切，按照产品的设计尺寸裁切正极箔、负极箔和电解纸；

2）将正极箔、电解纸和负极箔卷绕成芯包，并且正极箔的两侧边缘分别伸出负极箔两侧边缘0.8mm，电解纸的两侧边缘分别伸出正极箔两侧边缘0.8mm；

3）在芯包的外侧面上缠绕一层或者多层透明胶带；

4）将芯包含浸电解液；

配置电解液：包括改性碳纳米管的制备，A、将碳纳米管加入到浓硫酸：浓硝酸=3:1的酸液中，用超声波处理30min，并剧烈搅拌 ；B、将温度在100min内缓慢加热到135摄氏度；C、待溶液冷却后，用等离子水稀释，并用20微米孔径的PVdF水性微孔滤膜在砂芯漏斗中过滤，用去离子水反复清洗至滤液PH值为7；然后将所得固体配成水溶液，静置24h，用旋转蒸发仪去除离子水，在70摄氏度真空烘箱中干燥48小时，得到羧基话的多壁碳纳米管；

D、在多壁碳纳米管中加入过量的氯化亚砜(SOCl2)，在60摄氏度的条件下回流24小时，得到干燥的酰氯化多壁碳纳米管；E、将酰氯化多壁碳纳米管与过量聚醚胺在110℃下反应48h，冷却后将溶液过滤，用丙酮反复洗涤以完全去除残余的聚醚胺；F、将E的产物置于40摄氏度的真空箱中干燥24小时，去除残余溶剂后保存，即得到用酸改性的聚醚胺接枝的多壁碳纳米管；

配制溶液体系，将主溶剂和辅助溶剂混合均匀后加热到90-120摄氏度，加入主溶质、副溶质和步骤1）制备的用酸改性的聚醚胺接枝的多壁碳纳米管，在超声波下混合均匀，在110-140摄氏度的温度下保温30-60分钟，冷却到100摄氏度加入添加剂，并冷却至室温；

配制溶液体系，将所用单体、交联剂依次加入配液槽中，混合搅拌均匀后，加入热引发剂，搅拌50分钟；

将溶液体系和溶液体系按照1:4-7:3的配比混合并搅拌25分钟，得到均匀、澄清的溶液；

通过真空含浸的方法，将芯包含浸步骤得到的均匀、澄清的溶液；

将步骤处理后的芯包放置在温度为65℃~105℃的烘箱内固化3小时，得到含有凝胶态的电解液的快速充电铝电解电容器；

5）将步骤4）得到的芯包进行组立，在生成有绝缘膜的外壳内放置一层垫纸；通过橡胶塞将芯包密封在外壳内；

6）在外壳的底部贴上一层标识膜。

本实施例的快速充电铝电解电容器的电解液离子导电率高、阻抗小，这就能够减少大电流充电的时候电容器的发热。同时本发明中，正极箔、负极箔和电解纸两侧边缘的错位设置能够保证电容器的稳定性。