專利名稱：一種固體鉭電解電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固體鉭電解電容器及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電子儀器的小型化、輕量化，需要小型且大容量的高頻用的電容器， 因此提出了固體導(dǎo)電化合物形成固體電解質(zhì)層的固體電解電容器。固體電解電容器包括例如Al(鋁)或Ta(鉭)金屬陽極體，在陽極體的表面上經(jīng) 氧化處理而形成的電介質(zhì)氧化膜，和通過施加固體導(dǎo)電化合物，例如MnO2 (二氧化錳)，導(dǎo)電 高分子聚合物到氧化膜上，并與氧化膜緊密接觸的陰極層。由于電介質(zhì)氧化膜厚度極小，因 此，與紙介質(zhì)電容器和薄膜電容器相比，電解電容器的尺寸更小容量更大。對于固體電解電容器，如果將整個塊狀表面金屬氧化膜所造成的電容量稱作恒定 容量C1,將以多孔體的其余部分氧化膜所得到的電容量稱作變化電容量c2，與之串聯(lián)者即 為附加的電解質(zhì)電阻R，則得到總的電容量C為C = C^C2 (1/(1+ (ω C2R)2))(1)由式(1)可以看出，在頻率逐漸變高后，將導(dǎo)致C2部分失效，總的電容量呈下降的 趨勢，因而為有效減小C2的損失，必然要求有效地降低R來彌補(bǔ)頻率升高對電容量的影響。 因此，采用高電導(dǎo)率的化合物作為陰極層的固體電解電容器的高頻特性更好。二氧化錳雖被視為一種很有潛力的電容器電極材料，但二氧化錳的導(dǎo)電性較差， 已被某些具有比二氧化錳具有更高導(dǎo)電性的有機(jī)化合物所取代，由于電容器的電解質(zhì)電阻 R對電容器的高頻特性有很大影響，因此，有必要采用更高電導(dǎo)率的電解質(zhì)來增加電容器的 性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種固體鉭電解電容器及其制備方法，該器 件能克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，增加了導(dǎo)電層的電導(dǎo)率，增加了電容器在高頻條件下的電容量。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種固體鉭電解電容器，包括鉭 陽極體、位于鉭陽極體表面的Ta2O5(五氧化二鉭)電介質(zhì)被膜、位于Ta2O5電介質(zhì)被膜上 的導(dǎo)電層、在導(dǎo)電層上被覆的石墨層和銀涂層，其特征在于，所述導(dǎo)電層為導(dǎo)電高分子層、 ZnO(氧化鋅)種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，導(dǎo)電高分子層位于Ta2O5電介質(zhì) 表面，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子層之間，并且ZnO納米線陣列層的納 米線陣列垂直排列于ZnO種子層表面。按照本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述導(dǎo)電高分子材料包括 聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩、聚苯并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧 基噻吩)、聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)、聚對苯、聚并苯、聚乙炔、聚苯撐乙烯、聚雙炔、聚環(huán)氧
乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇或聚乙二醇亞胺。
按照本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述ZnO納米線陣列層中 ZnO納米線直徑為30 80nm，長度為0. 1 1 μ m，并且ZnO納米線之間存在間隙。按照本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述導(dǎo)電高分子層的厚度 大于或等于ZnO納米線的長度。按照本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器，其特征在于，ZnO納米線之間存在的間隙 由導(dǎo)電高分子層材料填充。一種固體鉭電解電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜，形成 正極基體；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和導(dǎo)電高分子單體均勻分散在混合溶液中，再將含鉭陽極體及Ta2O5 電介質(zhì)被膜的正極基體浸入混合溶液中，形成導(dǎo)電高分子層后取出，將ZnO種子層和ZnO納 米線陣列層疊在導(dǎo)電高分子層之上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子 層之間，并且在ZnO納米線陣列的間隙中填充有導(dǎo)電高分子材料，再在60 80°C的溫度范 圍內(nèi)逐漸升溫去除導(dǎo)電高分子層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂層接 合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。按照本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電高分 子層是通過滴涂、旋涂、浸涂、涂覆、噴墨打印、輥涂、LB膜中的一種或者幾種方式而形成。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的固體鉭電解電容器中的導(dǎo)電層為導(dǎo)電高分子層、ZnO 種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，由于ZnO具有很高的電導(dǎo)率，同時ZnO種子層表面排 列有ZnO納米線陣列，增大了 ZnO與導(dǎo)電高分子材料的接觸面積，因此，大大增加了導(dǎo)電層 的電導(dǎo)率，減小了固體鉭電解電容器的等效串聯(lián)電阻，使固體鉭電解電容器有更好的高頻 特性；由于ZnO能夠減少銀離子向電容器內(nèi)部的遷移，減小了漏電流，并且進(jìn)一步了減小電 容器的等效串聯(lián)電阻。


圖1是本發(fā)明所提供的固體鉭電解電容器的截面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1和比較例1中的固體鉭電解電容器的頻率特性曲線圖。其中，1、鉭陽極體，2、Ta205電介質(zhì)被膜，3、導(dǎo)電層，4、石墨層，5、銀涂層，6、鉭絲，7、 導(dǎo)電膠粘劑，8、陽極端，9、陰極端，10、環(huán)氧樹脂。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1所示，該固體鉭電解電容器在內(nèi)部具備立方體形狀的鉭陽極體1，以包圍該 陽極體的方式在陽極體表面形成的Ta2O5電介質(zhì)被膜2，在電介質(zhì)被膜2上形成的導(dǎo)電層3， 在導(dǎo)電層3上形成的石墨層4，在石墨層上形成的銀涂層5。在陽極體上設(shè)置向外部突出的 圓筒狀的鉭絲6，陽極端8利用電阻焊接與鉭絲6接合，陰極端9使用銀膠粘材料等導(dǎo)電性 膠粘劑7與銀涂層5接合，最后利用環(huán)氧樹脂10保護(hù)固體電解電容器整體。本發(fā)明的固體鉭電解電容器中導(dǎo)電層3為導(dǎo)電高分子層、ZnO種子層和ZnO納米 線陣列層的組合層，所述導(dǎo)電高分子材料包括聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻 吩、聚并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧基噻吩)、聚(3，4_乙烯基二氧噻吩)、聚對苯、 聚并苯、聚乙炔、聚苯撐乙烯、聚雙炔、聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二 酸乙二醇、聚乙二醇亞胺。本發(fā)明的固體鉭電解電容器中導(dǎo)電層3中的導(dǎo)電高分子層位于Ta2O5電介質(zhì)表面， ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子層之間，并且ZnO納米線陣列垂直排列于 ZnO種子層表面。 本發(fā)明的固體鉭電解電容器中導(dǎo)電層3中的ZnO納米線陣列層中ZnO納米線直徑 為30 80nm，長度為0. 1 1 μ m，并且ZnO納米線之間存在間隙。本發(fā)明的固體鉭電解電容器中導(dǎo)電層3中的導(dǎo)電高分子層的厚度大于或等于ZnO 納米線的長度。本發(fā)明的固體鉭電解電容器中導(dǎo)電層3中的ZnO納米線之間存在的間隙由導(dǎo)電高 分子層材料填充。實(shí)施例1基于圖1進(jìn)行說明。其中，導(dǎo)電層3為聚苯胺、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的 組合層，其中，ZnO納米線直徑為30nm，長度為0. 1 μ m。制備方法如下①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和聚苯胺單體均勻分散在混合溶液中，再將含鉭陽極體及Ta2O5電介質(zhì)被 膜的正極基體浸入混合溶液中，形成聚苯胺層后取出，將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層疊在 聚苯胺層之上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和聚苯胺層之間，并且在ZnO納米線陣 列的間隙中填充有聚苯胺，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi)逐漸升溫去除聚苯胺層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用銀膠等導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂 層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。
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比較例1采用聚苯胺為固體鉭電解電容器的導(dǎo)電層，除此以外，與實(shí)施1同樣地進(jìn)行。表1為實(shí)施例1和比較例1中的固體鉭電解電容器的各項(xiàng)性能參數(shù)。 實(shí)施例2導(dǎo)電層3為聚噻吩、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為40nm，長度為0. 2 μ m。制備方法如下①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和聚噻吩單體均勻分散在混合溶液中，再將混合溶液噴涂到含鉭陽極 體及Ta2O5電介質(zhì)被膜的正極基體上，將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層疊在聚噻吩層之 上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和聚噻吩層之間，并且在ZnO納米線陣列的間 隙中填充有聚噻吩，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi)逐漸升溫去除聚噻吩層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用銀膠等導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂 層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。實(shí)施例3導(dǎo)電層3為聚吡咯、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為50nm，長度為0. 4μπι。制備方法如下①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜；
③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和聚吡咯單體均勻分散在混合溶液中，再將混合溶液旋涂到含鉭陽極 體及Ta2O5電介質(zhì)被膜的正極基體上，將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層疊在聚吡咯層之 上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和聚吡咯層之間，并且在ZnO納米線陣列的間 隙中填充有聚吡咯，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi)逐漸升溫去除聚吡咯層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用銀膠等導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂 層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。實(shí)施例4導(dǎo)電層3為聚對苯、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為60nm，長度為0. 5μπι。制備方法如下①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和聚對苯單體均勻分散在混合溶液中，再將混合溶液滴涂到含鉭陽極 體及Ta2O5電介質(zhì)被膜的正極基體上，將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層疊在聚對苯層之 上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和聚對苯層之間，并且在ZnO納米線陣列的間 隙中填充有聚對苯，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi)逐漸升溫去除聚對苯層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用銀膠等導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂 層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。實(shí)施例5導(dǎo)電層3為聚并苯、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為70nm，長度為0. 6μπι。制備方法如下①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高 溫及真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相 沉積法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再 將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；
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④將氧化劑和聚并苯單體均勻分散在混合溶液中，采用滴涂方法將混合溶液涂覆 到含鉭陽極體及Ta2O5電介質(zhì)被膜的正極基體上，將ZnO種子層和ZnO納米線陣列層疊在聚 并苯層之上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和聚并苯層之間，并且在ZnO納米線陣 列的間隙中填充有聚并苯，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi)逐漸升溫去除聚并苯層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用銀膠等導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂 層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。實(shí)施例6導(dǎo)電層3為聚噻吩、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為80nm，長度為1 μ m。制備方法與實(shí)施例1相似。實(shí)施例7導(dǎo)電層3為聚噻吩、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，ZnO納米線直 徑為60nm，長度為0. 8μπι。制備方法與實(shí)施例1相似。
權(quán)利要求
一種固體鉭電解電容器，包括鉭陽極體、位于鉭陽極體表面的Ta2O5電介質(zhì)被膜、位于Ta2O5電介質(zhì)被膜上的導(dǎo)電層、在導(dǎo)電層上被覆的石墨層和銀涂層，其特征在于，所述導(dǎo)電層為導(dǎo)電高分子層、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，導(dǎo)電高分子層位于Ta2O5電介質(zhì)表面，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子層之間，并且ZnO納米線陣列層的納米線陣列垂直排列于ZnO種子層表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述導(dǎo)電高分子材料包括 聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩、聚苯并噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-甲氧 基噻吩)、聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)、聚對苯、聚并苯、聚乙炔、聚苯撐乙烯、聚雙炔、聚環(huán)氧 乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇或聚乙二醇亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述ZnO納米線陣列層中 ZnO納米線直徑為30 80nm，長度為0. 1 1 μ m，并且ZnO納米線之間存在間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體鉭電解電容器，其特征在于，所述導(dǎo)電高分子層的厚度 大于或等于ZnO納米線的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體鉭電解電容器，其特征在于，ZnO納米線之間存在的間隙 由導(dǎo)電高分子層材料填充。
6.一種固體鉭電解電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①將納米鉭金屬顆粒壓制而成塊，在鉭顆粒的形成體中植立圓筒狀的鉭絲，在高溫及 真空條件下燒結(jié)成多孔形鉭陽極體；②對燒結(jié)好的鉭陽極體進(jìn)行陽極氧化，在其表面生成一層Ta2O5電介質(zhì)被膜，形成正極 基體；③在硅基底上通過旋涂或蒸鍍的方法制備ZnO種子層，再通過水熱化學(xué)法或氣相沉積 法在ZnO種子層上制備ZnO納米線陣列層，所述ZnO納米線陣列垂直于ZnO種子層，再將 ZnO種子層和ZnO納米線陣列層從硅基底上剝離；④將氧化劑和導(dǎo)電高分子單體均勻分散在混合溶液中，再將含鉭陽極體及Ta2O5電介 質(zhì)被膜的正極基體浸入混合溶液中，形成導(dǎo)電高分子層后取出，將ZnO種子層和ZnO納米線 陣列層疊在導(dǎo)電高分子層之上，其中，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子層之 間，并且在ZnO納米線陣列的間隙中填充有導(dǎo)電高分子材料，再在60 80°C的溫度范圍內(nèi) 逐漸升溫去除導(dǎo)電高分子層中的溶劑；⑤經(jīng)過工藝處理形成負(fù)極石墨層，再在石墨層外形成銀涂層；⑥利用電阻焊接在鉭絲上接續(xù)陽極端，使用導(dǎo)電型膠粘劑使陰極端與銀涂層接合；⑦采用環(huán)氧樹脂包封的形式對上述制備的器件進(jìn)行封裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體鉭電解電容器的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電高分 子層是通過滴涂、旋涂、浸涂、涂覆、噴墨打印、輥涂、LB膜中的一種或者幾種方式而形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體鉭電解電容器，包括鉭陽極體、位于鉭陽極體表面的Ta2O5電介質(zhì)被膜、位于Ta2O5電介質(zhì)被膜上的導(dǎo)電層、在導(dǎo)電層上被覆的石墨層和銀涂層，其特征在于，所述導(dǎo)電層為導(dǎo)電高分子層、ZnO種子層和ZnO納米線陣列層的組合層，其中，導(dǎo)電高分子層位于Ta2O5電介質(zhì)表面，ZnO納米線陣列層位于ZnO種子層和導(dǎo)電高分子層之間，并且ZnO納米線陣列層的納米線陣列垂直排列于ZnO種子層表面。該器件能克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，增加了導(dǎo)電層的電導(dǎo)率，增加了電容器在高頻條件下的電容量。
文檔編號H01G9/15GK101923966SQ20101025792
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者于軍勝, 崔立強(qiáng), 蔣亞東, 邢國秀 申請人:電子科技大學(xué)