具有充电时间降低添加剂和功函数改良剂的电容器制造技术

本发明专利技术提供了具有改进的带电特性的电容器和制备该电容器的方法。该电容器包括：阳极、包括导电聚合物层和邻近所述导电聚合物层的功函数改良剂层的阴极、以及在所述阳极和所述阴极之间的电介质层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有充电时间降低添加剂和功函数改良剂的电容器相关申请的交叉引用本专利技术要求于2014年5月21日提交的待决美国临时专利申请No.62/001,165的优先权，其通过引用并入本文。
技术介绍
本专利技术涉及制备固体电解质电容器的改进方法以及由此形成的改进的电容器。更具体而言，本专利技术涉及通过在电介质层和导电聚合物层之间的界面以及相邻的导电聚合物层之间的界面中掺入功函数改良剂(workfunctionmodifier)，从而改善电容器的充电时间。在整个电子工业中广泛使用了固体电解电容器。电容器、太阳能电池和LED显示器中广泛使用了导电聚合物，示例性的导电聚合物包括聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺。其中，商业上最成功的导电聚合物为聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDT)。可以通过化学聚合或电化学聚合原位形成PEDT聚合物来施用PEDT，或者可以将PEDT用作PEDT分散体，优选与聚阴离子一同使用，以增加溶解性。更具体地，PEDT-聚苯乙烯磺酸(PEDT-PSSA)分散体因高导电性和良好的成膜性而获得了极大关注。在高压应用中，与原位形成的PEDT:TSA类导电性聚合物阴极相比，具有通过PEDT:PSSA类导电性聚合物分散体形成的固体电解质的固体电解电容器具有优异的性能。聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(PEDT:PSS)的结构由围绕掺杂的PEDOT晶粒的PSS绝缘层组成。聚苯乙烯磺酸盐是聚苯乙烯磺酸的共轭碱，并且根据上下文，这些术语在本文中可互换使用。达到电容器的额定电压所需的理论电荷由公式Q＝CV给出，或者取一阶时间导数dQ/dt＝I＝CdV/dt，其中Q为电荷、C为电容、V为电压、t为时间、I为电流。由这些等式可以确定具有给定电容值的电容器达到期望电压所需的总电荷。对于恒定电流I，使用前述等式，由等式t＝CV/I确定充电时间(t)。这是使用恒流扫描器和数字源表来测定的。使用上述充电时间等式，可以计算任意给定电容器的理论充电时间。在实践中，某些电容器所需的总电荷经常超过该理论预测。这种异常充电行为的实际结果是充电电流(dQ/dt)不会如由理论所预测的那样快速下降到低值，从而导致慢充电效应。此外，当充电电压倾斜(dV/dt)时，充电电流可能超过理论预测水平。这种行为影响DC漏电流的测量并且需要较长的时间以达到指定的漏电流，这可能会影响客户的电路中的电容性能，因为当测量DC漏电流时，对于给定应用，电容器的电流下降到低于指定漏电流的水平需要比预期更长的时间。Freeman等人(ECS固态科学与技术学报(ECSJournalofsolidstatescienceandtechnology)，2(11)N197-N204(2013))报道了该异常的充电行为。尤其是在干燥条件下，当在将PEDT:PSS类聚合物钽电容器表面安装在线路板上之后施加短电压脉冲时，他们观察到非常高的异常瞬变电流。他们还观察到了PEST:TSA类聚合物钽电容器的可忽略的瞬变电流。使用PEDT:PSS观察到的这种异常瞬变电流不会对电介质造成任何可检测到的永久性损坏，但是随着电压脉冲的重复以及在电容器暴露于潮湿环境后，该异常瞬变电流会降低。他们在非常低的温度下还进一步观察到了更长的充电时间，然而在潮湿条件下的充电时间更短。作者认为PSS的移动性可能有助于充电时间。Koch等人(应用物理学快报(Appliedphysicsletter)90,043512,2007)观察到，通过XPS的测量，PEDT:PSS的功函数可以高达5.65eV，并且其被残余水大幅降低(降至5.05eV)。此外，水的吸收伴随着显著的表面组成变化，这有助于功函数的变化。Koch等人认为负端朝向真空的PEDT+和PSS-偶极的优选取向(即，对于表面上的富PSS的表面)导致功函数的增加。因此，当在光伏器件中用水分处理PEDT:PSS时，对于具有较低的表面PSS浓度的样品，Koch等人观察到较低的功函数值。通过Freeman等人在实验中观察到的较低异常电流与水分暴露、和Koch等人对水分处理的低表面PSS浓度的实验观察，使得专利技术人认为表面PSS浓度可能在降低异常电流或降低充电时间中发挥更大的作用。这种理解使人们致力于研究减少表面PSS浓度或表面电荷密度的方法。Mack等人(应用记录(Applicationnote)#52078，ThermoFischerScientific)描述了使用X射线光电子能谱(XPS)测量和绘制功函数的方法。他们在光伏器件中观察到分层界面中的功函数高于没有分层的区域中的功函数。这表明，除了更高的PSS表面浓度之外，界面处的分层也可能导致更高的功函数。这种理解使人们致力于通过改进相邻层的叠层或减少分层来解决与不良充电特性相关的问题。尽管本领域技术人员付出了努力，然而此前尚未意识到电容器中的充电时间与导电聚合物层本身的本征功函数相关，而与PSS迁移率或分层无关，从而解释了此前人们所作努力获得不足的结果的原因。本文提供了一种改进的电容器以及制造该电容器的方法，该电容器通过使用功函数改良剂实现了更低的功函数，该功函数改良剂使电容器中先前未考虑的物理现象最小化，从而减轻了、并且在一些情况下消除了不期望的充电特性，并且使包括导电聚合物阴极的电容器恢复到或接近之前未达到的理论充电特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改进的固体电解电容器。本专利技术的另一目的在于提供一种制备具有优良的可靠性的固体电解电容器阴极的改进方法。本专利技术的另一目的在于提供一种制备固体电解电容器阴极的改进方法，其中该阴极的充电时间接近理论充电时间。本专利技术的另一目的在于提供一种制备固体电解电容器的改进方法，该固体电解电容器包括降低充电时间的功函数改性层，其中该层包含功函数改良剂。本专利技术的另一目的在于提供一种制备固体电解电容器的改进方法，该固体电解电容器包含降低功函数的材料。本专利技术的另一目的在于提供一种通过在导电聚合物层和相邻的层之间掺入功函数改良剂层从而制备固体电解电容器的改进方法。所实现的这些以及其他优点体现于电容器中，该电容器包括：阳极、包括导电聚合物层和邻近所述导电聚合物层的功函数改良剂层的阴极、以及位于所述阳极和所述阴极之间的电介质层。另一实施方案提供了一种形成电容器的方法，包括：形成阳极；在所述阳极上形成电介质；以及在所述阳极上形成阴极，其包括：形成导电聚合物层；以及在与所述导电聚合物层相邻的位置形成功函数改良剂层。附图说明图1为本专利技术实施方案的截面示意图。图2为本专利技术实施方案的截面示意图。图3为本专利技术实施方案的示意性流程图。具体实施方式本专利技术涉及制备固体电解质电容器的改进方法以及由此形成的改进的电容器。更具体而言，本专利技术涉及通过在导电聚合物界面上引入功函数改良剂来改进电容器的充电时间，该导电聚合物界面包括电介质层和导电聚合物层之间的界面、以及相邻的导电聚合物层之间的界面。尽管本专利技术不受理论限制，但目前认为导电聚合物层的功函数和电容器的充电时间之间存在相关性。此外还认为可以通过在导电聚合物层的界面处引入特定的功函数改良剂来减少充电时间。令人惊讶地发现，几种类别的材料会降低充电时间，这些材料能够与表面PSS相互作用以降低由PSS产生的表面PSS浓度或电荷浓度。这些材料在本文中称为功函数改良剂。功函数改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容器，包括：阳极；阴极，其包括：导电聚合物层；和邻近所述导电聚合物层的功函数改良剂层；以及在所述阳极和所述阴极之间的电介质层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.21 US 62/001,1651.一种电容器，包括：阳极；阴极，其包括：导电聚合物层；和邻近所述导电聚合物层的功函数改良剂层；以及在所述阳极和所述阴极之间的电介质层。2.根据权利要求1所述的电容器，其中所述功函数改良剂层在所述电介质层和所述导电聚合物层之间。3.根据权利要求1所述的电容器，其中所述功函数改良剂层在所述导电聚合物层和相邻的导电聚合物层之间。4.根据权利要求1所述的电容器，其中所述电容器的CV为至少400μF·V。5.根据权利要求1所述的电容器，其充电时间不超过理论充电时间的1.5倍。6.根据权利要求1所述的电容器，其充电时间不超过所述理论充电时间的1.2倍。7.根据权利要求1所述的电容器，其中所述充电时间不超过所述理论充电时间的1倍。8.根据权利要求1所述的电容器，其中所述导电聚合物层包含聚阴离子。9.根据权利要求8所述的电容器，其中所述聚阴离子为聚苯乙烯磺酸。10.根据权利要求1所述的电容器，其中所述功函数改良剂层包含能够降低所述导电聚合物层的功函数的功函数改良剂。11.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂将所述功函数降低至少0.1eV至不超过1eV。12.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂将所述功函数降低至不超过0.5eV。13.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂的粒径为至少10nm至不超过100nm。14.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂的粒径为至少20nm至不超过40nm。15.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂为无机氧化物。16.根据权利要求15所述的电容器，其中所述无机氧化物选自氧化锌、氧化铈、氧化铟和氧化锰。17.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂为有机金属化合物。18.根据权利要求17所述的电容器，其中所述有机金属化合物为有机钛酸酯。19.根据权利要求18所述的电容器，其中所述有机钛酸酯选自由以下化合物构成的组：二烷氧基酰基钛酸酯、三烷氧基酰基钛酸酯、烷氧基三酰基钛酸酯、烷氧基钛酸酯、新烷氧基钛酸酯、以及它们的衍生物，代表性的新烷氧基钛酸酯为具有以下基团的新烷氧基钛酸酯：钛IV2,2(双2-丙烯醇根甲基)丁醇根、三新癸酸根-O；钛IV2,2(双2-丙烯醇根甲基)丁醇根、三(十二烷基)苯磺酸根-O；钛IV2,2(双2-丙烯醇根甲基)丁醇根、三(二辛基)磷酸根-O；钛IV2,2(双2-丙烯醇甲基)三(二辛基)焦磷酸丁醇根-O；钛IV2,2(双2-丙烯醇根甲基)丁醇根、三(2-乙二胺基)乙醇根；钛IV2,2(双2-丙烯醇根甲基)丁醇根、三(3-氨基)苯氧根。20.根据权利要求19所述的电容器，其中所述烷氧基钛酸酯为新烷氧基钛酸酯。21.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂为具有反应性官能团的有机化合物。22.根据权利要求21所述的电容器，其中所述官能团中的至少一个官能团为环氧基。23.根据权利要求21所述的电容器，其中所述功函数改良剂选自由以下化合物构成的组：脂环族环氧树脂、乙二醇二缩水甘油醚、双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、双酚S环氧树脂、酚醛环氧树脂、脂肪族环氧树脂、缩水甘油胺环氧树脂、乙二醇二缩水甘油醚(EGDGE)、丙二醇二缩水甘油醚(PGDGE)、1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BDDGE)、戊二醇二缩水甘油醚、己二醇二缩水甘油醚、环己烷二甲醇二缩水甘油醚、间苯二酚缩水甘油醚、丙三醇二缩水甘油醚(GDGE)、丙三醇聚缩水甘油醚、二丙三醇聚缩水甘油醚、三羟甲基丙烷聚缩水甘油醚、山梨醇二缩水甘油醚(山梨醇-DGE)、山梨醇聚缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)、聚丙二醇二缩水甘油醚、聚四乙二醇二缩水甘油醚、二(2,3-环氧丙基)醚、1,3-丁二烯二环氧化物、1,5-己二烯二环氧化物、1,2,7,8-二环氧辛烷、1,2,5,6-二环氧树脂环辛烷、4-乙烯基环己烯二环氧化物、双酚A二缩水甘油醚、马来酰胺-环氧化合物以及它们的衍生物。24.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂为聚阳离子化合物。25.根据权利要求24所述的电容器，其中所述功函数改良剂选自由以下化合物构成的组：脒鎓、磷鎓、季铵、胍盐、苯胺、硫脲、碳鎓、吡啶鎓、咪唑鎓、锍、重氮以及它们的衍生物。26.根据权利要求10所述的电容器，其中所述功函数改良剂为离子液体。27.根据权利要求26所述的电容器，其中所述功函数改良剂选自由以下化合物构成的组：阳离子PIL：阴离子PIL：1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐以及它们的衍生物。28.根据权利要求26所述的电容器，其中所述离子液体选自阳离子离子液体或聚阳离子离子液体。29.根据权利要求1所述的电容器，其中所述功函数改良剂掺入纳米凝胶中。30.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶是化学交联的。31.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶是通过辐照交联的。32.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶包含线性枝状杂化聚合物。33.根据权利要求32所述的电容器，其中所述线性枝状杂化聚合物的平均羟基不超过128个。34.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶还包含阳离子聚电解质。35.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶是由离子液体和聚电解质制备的。36.根据权利要求29所述的电容器，其中所述纳米凝胶是由多糖和1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐制备的。37.一种形成电容器的方法，包括：形成阳极；在所述阳极上形成电介质；以及在所述阳极上形成阴极，其包括：形成导电聚合物层；和在与...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·P·查科，史亚茹，罗伯特·拉姆斯博顿，约翰·T·基纳德，约翰·约瑟夫·奥尔斯，
申请(专利权)人：凯米特电子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US