[发明专利]混合电容器及电容器的制造方法

说明书

本申请描述了一种改进的电容器，其中电容器包括工作元件。工作元件包括第一电介质和在第一电介质上的阳极导电聚合物层。工作元件还包括阴极和在阳极导电聚合物层与阴极之间的隔膜，其中隔膜包括隔膜导电聚合物层，其中阳极导电聚合物层或隔膜导电聚合物层中的至少一者是交联的。工作元件还包括液体电解质。

相关申请的交叉引用

本发明是于2018年3月1日提交的待审美国专利申请No.15/909,269的部分继续申请，而该待审美国专利申请是于2016年4月11日提交的待审美国专利申请No.15/095,902的部分继续申请，这两个专利均通过引用并入本文。本发明还是于2016年2月2日提交的待审美国专利申请No.15/013,307的部分继续申请，而该待审美国专利申请要求于2015年2月13日提交的已过期美国专利申请No.62/116,043的优先权，该申请通过引用并入本文。

背景技术

本发明涉及包含固体导电聚合物电解质和任选的液体电解质的电容器。更具体而言，本发明涉及包括导电隔膜的电容器以及形成混合电容器的方法，该混合电容器在卷绕结构的间隙部分内的导电聚合物覆盖得到改善，其中至少一个导电聚合物层在该层内交联、与相邻表面交联或与相邻导电聚合物层交联。

历史上，将电容器定义为两种通用类型，其中一种类型使用液体电解质而另一种类型使用固体电解质。通常，液体电解质电容器包括一般是卷绕的分层结构，其中阳极导体、阴极导体和浸入液体电解质中的交错隔膜全部被密封、优选气密密封在容器内。通常而言，固体电解质电容器包括其上具有电介质层的导电整料或导电箔以及位于电介质之上的固体阴极，如导电聚合物或二氧化锰。这两种通用类型的电容器都在商业中得到了广泛的应用，并且各自具有优点和缺点，彼此不同。例如，液体电解电容器具有高电容，但由于液体电解质导电率低(通常不高于约0.015S/cm)而导致等效串联电阻(ESR)差，而导电聚合物具有高导电率，其高达600S/cm，因此使用导电聚合物阴极的电容器具有低得多的ESR。

导电聚合物阴极至少部分地由于其低等效串联电阻(ESR)和无损故障模式而在商业中得到广泛应用。这使得需要形成混合电容器，其中在液体电解质结构的卷绕内使用通常用于固体电解电容器的导电聚合物，其目的是保持与固体导电聚合物电解质相同的较低的ESR的同时，实现与液体电解质电容器相同的高电压。美国专利No.8,462,484和8,767,377教导了示例性的混合电容器。

混合电容器的形成通常涉及交错卷绕结构的形成；包括阳极、阴极和隔膜；然后用导电聚合物浸渍。通过单体的原位聚合，或通过使预制聚合物浆料扩散到卷绕交错结构的间隙区域中来完成浸渍。

使用氧化剂存在下的单体的原位聚合来制造第一代混合电容器。原位聚合是一种复杂的方法，存在许多问题，包括最终产品被单体和氧化剂污染、工艺环境条件复杂，从而导致方法可靠性差。通过使用预制的导电聚合物的水性分散体或浆料浸渍电容器卷绕的间隙空间来缓解这些问题。

利用预制导电聚合物浸渍卷绕包括将工作元件浸入包含导电聚合物的溶液中或将溶液添加到工作元件上，其中导电聚合物迁移或扩散到间隙空间中。由于受到与扩散穿过工作元件的速率和效率相关的限制，因而制造阶段是复杂的。隔膜对聚合物颗粒和抗衡离子的过滤限制了有效扩散，从而限制了工作元件的长度。作为结果，仅成功地实现了小的电容器尺寸。事实证明，大的电容器很难制造。实际上，普遍市售可得的最大壳体尺寸为直径约10mm，长度约12.5mm，最大电容为约22μF(在63V的额定电压下)，并且得到的最低ESR为约16mΩ。

由于制造限制，混合电容器主要是径向电容器，因为制造方法不适合小型轴向电容器。对于轴向电容器，底部接头或引线必须浸入聚合物前体或聚合物浆料中，从而得到涂覆有聚合物的接头，这会引发后续加工的问题。此外，实际上不可能在电容器上施加电压以原位形成聚合物或者修复受损部位，这是因为底部接头在溶液中。