ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01G9/15 H01G9/155 

Изобретение относится к электро и радиотехнике, в частности, к изготовлению электролитических конденсаторов. Известно, что удельно-весовые характеристики конденсаторов определяются электрическими параметрами диэлектрика. Замена жидких электролитов на твердые, в частности, на полимерные пленки позволяет повысить удельную емкость конденсаторов в 1,5-2 раза и отказаться от экологически "грязных" технологических процессов их изготовления. Диэлектрическая проницаемость (ε) таких полимерных диэлектриков, как, например, лавсан, поливинилпиррол, полиакрилонитрилметакрилат имеет величину порядка 4-10. Применение в качестве электролитов проводящих полимеров с e=10-30 позволит еще более существенно повысить удельные характеристики конденсаторов. Известен патент, где в качестве твердого электролита использованы соли проводящего полимера полипиррола [1] Пленку полипиррола наносят на электроды путем электрохимического окисления пиррола, в связи с практически полной нерастворимостью полимера. Однако, электрохимический синтез полимеров представляет собой технологически сложный и длительный процесс. Кроме того, пиррол сравнительно дорог и его промышленное производство в России и странах СНГ отсутствует. В связи с этим серийное производство электролитических конденсаторов на основе полипиррола затруднено, несмотря на то, что удельная емкость их достигает высоких значений: 100-200 мкФ/см².

Среди наиболее перспективных проводящих полимеров, применяемых в качестве твердых электролитов является полианилин, благодаря доступности исходного сырья-анилина.

Наиболее близким по технической сущности к объекту изобретения является твердотельный электролитический конденсатор [2] содержащий фольгированные электроды с расположенным между ними слоем твердого электролита на основе полианилина. К недостаткам такого конденсатора следует отнести то, что как и в случае с полипирролом, пленка диэлектрика-полианилина на поверхности электродов наносится электрохимическим путем, что усложняет процесс. Кроме того у таких конденсаторов наблюдается неустойчивость исходных электрических параметров во времени. В этой связи этот тип конденсаторов не получил практического применения, несмотря на довольно высокую (до 1000 мкФ/см²) удельную емкость.

Данное изобретение позволяет устранить недостатки известного решения и изготавливать электролитические конденсаторы на основе полианилина, применяя высокопроизводительную рулонную технологию и получая при этом изделия со значительно более высокой удельной емкостью (до 4000 мкФ/см²) и стабильными электрическими параметрами.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известный твердый электролит вводится дополнительно легирующая добавка, в качестве которой использовано соединение, выбранное из ряда: моно-ди-трихлоруксусная кислота, п-толуолсульфокислота в количестве 0,05-10% от массы полианилина.

В известных литературных источниках нет сведений об использовании вышеуказанных соединений в качестве легирующих добавок твердых диэлектриков в электролитических конденсаторах, что позволяет сделать вывод о новизне предлагаемого изобретения.

Порошок полианилин-основания (ПАН), полученного методом химического окисления анилина персульфатом аммония, растворяли в диметилформамиде (концентрация раствора 30 г/л). В полученный раствор вводили необходимое количество легирующей добавки (0,05-10% ). В качестве материалов электродов применяли алюминиевую фольгу марок: А-5, А-99, А-91 (ГОСТ 25905-8) в виде подложек размером 40х40 мм или лент 60х200 мм. Перед нанесением покрытия подложку из фольги подвергали следующим видам обработки:
обезжиривание ацетоном;
травление бихроматом калия в серной кислоте;
травление 30%-ным раствором фосфорной кислоты;
травление муравьиной кислотой.

После обработки фольгу тщательно промывали дистиллированной водой и осуществляли ее сушку при 60^oC в течение 2-х ч. Нанесение покрытия на фольгу осуществляли методом полива или центрифугирования приготовленного ранее раствора ПАН с легирующими добавками. После нанесения покрытия проводили его сушку в ступенчатом температурном режиме: 60, 80, 100^oC в течение 2-х ч при каждой температуре.

Изготовление плоских конденсаторов осуществляли вакуумным термическим напылением измерительных алюминиевых электродов на алюминиевую фольгу, покрытую ПАН. Измерения электрофизических свойств образцов полученных конденсаторов проводили в соответствии с ГОСТ 20.57406-8. "Изделия электронной техники. Методы испытаний" на приборах: Р50-16, оптиметр ИКВ-3, УП-1.

Экспериментально установлено, что наилучшие характеристики конденсаторов получены при соблюдении вида легирующей добавки и ее содержания в полианилине.

Результаты измерений сведены в таблицу. Анализ табличных данных показывает, что введение в исходный полианилин легирующих добавок даже в количестве 0,05% от его массы увеличивает удельную емкость в 30-50 раз (в зависимости от типа добавки). При этом стабильность электрических параметров повышается на 40-50% Следует отметить, что увеличение концентрации добавок выше 10% от массы полианилина приводит к существенному увеличению тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) и как следствие, к высоким токам утечки.

Наилучшие характеристики плоских конденсаторов получены на образцах с добавками п-толуолсульфокислоты: Суд 5380 мкФ/см²; tgδ 0,078; r 1,3•10¹¹Ом. м; E_пр 56,3 кВ/мм.

Применение твердых полимерных электролитов на основе легированных полианилинов позволит создать новые классы конденсаторов, способных вытеснить существующие.

Использование: электротехническая и радиотехническая промышленность. Сущность изобретения: устройство содержит фольгированные электроды, между которыми размещен твердый электролит, содержащий полианилин и 0,05-10 мас.% легирующей добавки, выбранной из группы, включающей монохлоруксусную кислоту, дихлоруксусную кислоту, трихлоруксусную кислоту и п-толуолсульфокислоту. Это обеспечивает повышение удельной емкости до 4000 мкФ/см².

Твердотельный электролитический конденсатор, содержащий фольгированные электроды с расположенным между ними слоем твердого электролита на основе полианилина, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит легирующую добавку, в качестве которой использовано соединение, выбранное из ряда: монохлоруксусная кислота, дихлоруксусная кислота, трихлоруксусная кислота, п-толуолсульфокислота в количестве 0,05 10% от массы полианилина.