[发明专利]卷绕式电容器

说明书

本发明提供了一种卷绕式电容器，其包括由挠性多层带形成的卷(coil)，以及位于卷的对接部的第一端接电极(第一接触层)和第二端接电极(第二接触层)。挠性多层带包含以下顺序的层：第一金属层、塑料层、第二金属层、储能材料层。第一金属层与第一端接电极(第一接触层)形成欧姆接触，第二金属层(第二接触层)与第二端接电极形成欧姆接触。

背景技术

具有高体积能量密度、高工作温度、低等效串联电阻(ESR)和长寿命的电容器是用于脉冲电源、汽车和工业电子产品的关键组件。电容器中的电介质材料的物理特性是决定电容器性能的主要因素。因此，电容器中的电介质材料的一个或多个物理性质的改善能够导致电容器组件的相应性能的改善，通常导致电子系统或组装于其中的产品的性能和寿命增强。由于电容器电介质的改进能够直接影响产品尺寸、产品可靠性和产品效率，所以这种改进具有很高的价值。

电容器的电介质材料的某些改进可以被认为能够实现特定的技术应用。例如，具有高介电常数、高介电强度、低ESR和低介电损耗因数的电容器能够将高频或脉冲电源的应用减小到实用的尺寸。高温运行将大大简化下一代电动车。改进的电介质将使开关电源、功率调节器和滤波器的比功率和可靠性得到提高。提高能量密度将减少目前用于印刷电路板上的电容器器件的面积，减少用于油气井的功率调节系统、电源和井下工具的重量和尺寸。

为了在保持所有其他物理和电特性的同时减小电容器的尺寸，必须增加电容器的介电常数或绝缘击穿强度。两者都是通过开发具有高电压击穿强度、高介电常数和低ESR损耗的新型薄挠性电介质来实现的。某些应用还需要稳定的介电常数，在温度超过150摄氏度时寿命不会减少。

通常使用缠绕成圆柱形的金属化聚合物膜来制成高压非极性电容器。在传统的缠绕式电容器(wound capacitor)中，电介质材料通常是聚合物膜。常见的聚合物电介质材料包括聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，也称为聚酯)、聚丙烯、聚苯乙烯和聚砜。基于聚合物电介质的箔电容器通常通过将聚合物和金属箔的交替片放置在叠层中并且将叠层卷成管状形状，或者在聚合物的一侧上沉积金属膜，然后将两个堆叠的金属化聚合物膜卷成管状形状。电线连接到每个金属箔。电介质材料以自支撑层的形式存在，其足够厚以维持必要的操作电压(通常至少3-6微米)。不幸的是，聚合物片材的厚度太大会降低能量储存密度。通常，由于聚合物材料的缺陷，这些电容器的介电常数会改变，并且在超过100-150℃的温度下寿命会缩短。或者，将涂覆有薄金属层(通常17-100纳米厚)的两个聚合物膜卷缠绕成管状以形成电容器。薄金属膜具有以下优点，即如果聚合物电介质在操作过程中破裂，则清除可能形成的任何短路。这能够延长电容器的使用寿命，并最大限度地减少电容器产生灾难性故障的可能性。因为薄膜的相对介电常数(也称为介电常数κ)相对较低，例如小于约5，因此常规的薄膜电容器不具有高能量密度。

在现有技术中，作为电容器的介电材料而公开了非结晶SiO₂、HfO₂、其它金属氧化物、非结晶氧化物和氮化物例如S iO₂/S i₃N₄的叠层。在现有技术中还公开了包含两侧涂覆有薄金属层的绝缘聚合物膜的挠性衬底、以及在膜上沉积非结晶氧化物和氧化物/氮化物层以生产可卷成圆柱形状的材料的工艺。

在现有技术中，金属化膜电容器是公知的。这些电容器包括缠绕在一个芯上的两个紧密缠绕的薄片(sheet)。每个薄片包括电介质层和金属化层。金属化层不延伸到薄片的相对的端部而在每个薄片的相对侧上留下非金属化边缘。用导电金属喷涂由两个紧密卷绕的薄片形成的辊的端部，从而形成用于电容器的导电端子。以这种方式制造的电容器可以用于各种目的，这取决于诸如片材的类型、以及薄片的厚度和介电常数等因素。用于薄片的典型材料例如有定向聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。导电金属端子通常在真空镀膜机中形成，并且通常由铝、锌或其合金组成。

发明内容

本发明提供一种卷绕式电容器(coiled capacitor)，其能够解决与某些储能器件相关的进一步增加储能体积和质量密度的问题，同时降低材料成本。