具有提高的电容量的薄膜电容器的制作方法

具有提高的电容量的薄膜电容器
1.本发明涉及一种由第一和第二薄膜构成的薄膜电容器，其中，两个薄膜分别具有相对介电常数ε
r
并且分别在至少一个侧面上涂层或蒸镀(或者说气相喷镀)有金属层。本发明还涉及一种用于制造这种薄膜电容器的方法。
2.由现有技术已知的用于能量技术应用的薄膜电容器至少由两个叠置的并且卷绕的、分别在一个侧面或表面上被金属化的薄膜、即所谓的卷绕件(wickel)构成。两个薄膜相互略微沿轴向彼此错移地卷绕，从而在卷绕件的每个端侧，略微进一步凸出的薄膜的金属层可以通过所谓的金属喷镀(schoopieren)被接触。因此产生的电容器共同用作卷起的平板电容器。众所周知，根据以下公式计算平板电容器的电容量c：
[0003][0004]
其中ε0是真空的电场常数、ε
r
是薄膜材料的相对介电常数(介电常数)、a是金属层或平板面的面积，并且d是两个金属层彼此的距离。在此，距离d基本上相应于所使用的薄膜材料的厚度。
[0005]
确定电容量c的参数因此是相对介电常数和所使用的薄膜材料的厚度d。厚度d在此局限于市场上可得到的材料和能够以卷绕技术加工的大约3μm至12μm的厚度。
[0006]
例如将具有大约2.2至3.3的相对介电常数ε
r
的塑料用作薄膜材料：聚乙烯(pe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚丙烯(pp)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)。
[0007]
根据图1，薄膜电容器的常见的结构由两个薄膜1和3构成，这些薄膜分别在一个侧面上涂层或蒸镀有金属层2或4。薄膜1和金属层2以及薄膜3和金属层4共同形成电容器卷绕件。两个薄膜相互错移地、相叠地布置并且卷绕。图1和所有其它的附图在此示出了垂直于或横向于薄膜卷绕件的卷绕方向的截面图的局部，并且在此示出了两个薄膜的两个从左向右层叠的卷绕部。两个薄膜的存在于该局部之外的另外的卷绕部由三个点“...”表示。在图1和所有其它的附图中，相应的薄膜电容器的电路图显示在右上方。
[0008]
为了实现自修复特性，金属涂层2或4的层厚优选沿箭头方向从横向于薄膜卷绕件的特定的界限5或6开始减小。在可能的击穿的情况下，相应较薄的金属层在击穿位置处蒸发，而不会使薄膜碳化，因此不会在两个金属层之间产生传导性的连接。由此作用产生层的自修复。
[0009]
从现有技术已知的薄膜电容器具有最大高达微法拉范围的电容量和高达四位数伏特范围的耐压强度。
[0010]
随着新的技术任务的引入、例如越来越多地使用可再生能源和供电网络的与之相关的分散化，或者随着电迁移率的增大和其在储能、充电技术和能量回收方面的挑战，对电容器和具有高的电容量、能量密度的超级电容器的需求也在增加。电容器和超级电容器用于电能的短期的中间存储，例如用于电网中的调峰或用于存储电动交通工具中的制动能量，还用于电动工具中的锂离子电池的过载保护(如果它们必须在短时间内满足非常高的电流需求)。由现有技术已知的薄膜电容器不能实现这些要求。
[0011]
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提高薄膜电容器的电容量，优选提高10至10000倍，以便使薄膜电容器对于新的技术任务来说是引人注意的，并且使薄膜电容器适配于新的技术任务。
[0012]
该技术问题通过独立权利要求的特征解决。本发明的扩展设计是从属权利要求的技术方案。
[0013]
根据本发明，在两个薄膜之间优选全面地(或者说在整个面上)布置有至少一个由具有相对于薄膜的介电常数ε
r
更高的介电常数ε
r
的电介质构成的层。由电介质构成的层在此要么印刷在一个或两个薄膜的金属层上，要么印刷在一个或两个薄膜的与金属化部对置的未涂层的侧面上。通过提高电介质的介电常数ε
r
来提高薄膜电容器的电容量。而击穿强度保持不变或略有增加。当然，如在以下所有实施方式中那样，在此也可以使用上述的分级式的金属涂层来确保自修复。
[0014]
由电介质构成的层特别优选印刷到薄膜的金属层上，因此其作为两个薄膜之间的间隔层起作用。
[0015]
例如，电介质的介电常数ε
r
比薄膜的介电常数ε
r
大10至500倍，从而薄膜电容器的电容量与在没有由电介质构成的层的薄膜电容器中相比高10至500倍。印刷的电介质的介电常数ε
r
在此例如可以具有20至大约2000的值。
[0016]
作为对此的备选，至少一个由电介质构成的层印刷在第一薄膜的金属层上，并且第二薄膜布置为，使得其金属层指向第一薄膜的金属层，从而第一薄膜的金属层和第二薄膜的金属层只通过薄的电介质层彼此分隔开。由此附加地提高电容量，因为现在作为电容器电极之间的距离的薄膜的厚度被省去，并且只有印刷的电介质的厚度作为距离d包含在公式中。这意味着，例如在薄膜厚度为6μm且印刷的电介质的层厚为0.3μm的情况下，电容器的电容量单单通过减小的厚度或减小的距离d就相对于由现有技术已知的薄膜电容器的电容量提高了20倍。
[0017]
特别优选地，在根据本发明的第二备选方案中，由电介质构成的层也具有相对于薄膜的介电常数ε
r
更高的介电常数ε
r
。例如，电介质的介电常数ε
r
比薄膜的介电常数ε
r
高10至500倍，从而薄膜电容器的电容量总体上与在没有由电介质构成的层的薄膜电容器中相比高200至10000倍。
[0018]
特别优选地，第一薄膜以其金属层和第二薄膜以其金属层共同形成电容器卷绕件。具有大致尺寸相同的面积的两个薄膜在此为了后续的金属喷镀略微侧向地或轴向地错移地相互叠置，并且在纵向侧共同卷绕或者卷成一个卷绕件。
[0019]
当然，不只可以利用薄膜的轴向布置来卷绕薄膜电容器的薄膜，而且从现有技术中已知的所有其它的结构形式、例如分层的若干单层的布置也是可行的。在此，大量被金属化的优选形成平坦的单层的第一和第二薄膜被分层叠置或堆叠，并且通过金属喷镀连接为电容器。产生具有正方形或矩形的形状因子的电容器，该电容器由具有第一和第二薄膜的相应的错移的薄膜
‑
片状材料层式地堆叠。备选地，也可以通过第一和第二薄膜的交叉式地叠置和折叠来构建电容器。
[0020]
电容器的单片也可以具有任意的外轮廓或外形形状，因此电容器可以例如作为成型元件装入到车身等中。因此，电容器甚至可以特别优选地构造为具有机械或光学的附加功能的功能元件。
[0021]
在现有技术中，薄膜电容器的电容量主要由相应的薄膜的特性确定。然而特别有利地，根据本发明的薄膜电容器的电容量和能量密度通过使用薄膜印刷和涂层技术(如其在制造高安全性薄膜时所使用的那样)、在使用具有高的介电常数ε
r
和/或具有小的层厚的材料的情况下相对于由现有技术已知的薄膜电容器提高10至10000倍。
[0022]
根据优选的实施方式，由电介质构成的层借助印刷方法、例如胶版印刷(或者说平版印刷)、柔性版印刷、凹版印刷或丝网印刷而印刷到薄膜的金属层上或卷绕件的一个或两个薄膜的与金属化部对置的未涂层的侧面上。通过使用这些由现有技术已知的印刷方法，例如可以将电介质的层厚减小至0.2μm。因此，与6μm厚的电容器薄膜相比，电容量已经可以提高30倍。然而，电介质层厚的降低伴随着击穿强度的降低，并且因此必须与相应的应用的要求相协调。
[0023]
特别优选地，由电介质构成的层由颜料构成，所述颜料由具有高的介电常数ε
r
的材料构成，所述颜料分散在具有良好绝缘特性并且优选同样具有高的介电常数ε
r
的对于印刷过程必需的粘合剂中。这种颜料例如由sio2(二氧化硅)、zro2(二氧化锆)、batio3钛酸钡、catio3钛酸钙或tio2(二氧化钛)构成。在此特别有利的是使用无机和有机的铁电体。粘合剂可以设计用于紫外线干燥或基于溶剂地用于热干燥、离子束干燥或者它们的组合。
[0024]
根据另一优选的实施方式，薄膜电容器的两个薄膜分别印刷有薄的电介质层(或者说介电性的层)。由此，可以进一步提高电容量和击穿强度。
[0025]
根据另一优选的实施方式，薄膜电容器的两个薄膜在两侧被金属化，并且两个薄膜在一侧被印刷有电介质层。由此，与前面提到的布置相比，电容量提高了倍数二乘以薄膜厚度与电介质的层厚的商，因为在此两个电容器在该布置结构的体积几乎相同的情况下通过之后的金属喷镀并联连接。而如果两个薄膜在两侧被金属化并且在两侧印刷有薄的电介质层，那么可以提高击穿强度，但电容量大约减半。
[0026]
根据另一优选实施方式，至少两个另外的金属化部施加在所述电介质层上，并且至少一个另外的电介质层分别施加在所述至少两个另外的金属化部之间和其上。通过施加两个金属化部和两个电介质层的每个另外的序列，将两个另外的电容器与之并联连接。在此，通过并联连接多个印刷的和/或蒸镀的层实现电容量的提高。
[0027]
为了提高耐压强度，可以在上面列出的每个布置中提高电介质的层厚。为此例如在凹版印刷中增加网纹辊的汲取容积但是，也可以将多个印刷层相叠地印刷。
[0028]
此外，也可以在电介质层上相叠地印刷或涂层有由多个金属化层和电介质层构成的序列，这相应于电容器的串联连接，并且因此提高耐压强度。要注意的是，处于内部的金属层相对于包围金属层的电介质层在其侧向边缘处缩回地布置，因此金属层不会导引到包围它们的层的侧向边缘处或者甚至向外突伸出电介质层，从而不会出现相邻的金属层之间的短路。
[0029]
根据另一优选的实施方式，金属化部可以非全面地、而是结构化地施加，以便由此实现各个单独的电容器的串联连接和薄膜电容器的更好的耐压强度。例如可以通过利用清洗颜料对薄膜进行结构化印刷、在清洗颜料上大面积地施加金属层，并且接下来在配设有清洗颜料的区域上清洗和去除金属层实现金属化部的结构化，这例如由wo 1999/013157 a1已知。备选地，可以借助激光烧蚀来使金属化部结构化。
[0030]
因此，为了提高击穿强度并且与之相关地提高可能的运行电压，多个子电容器串联连接。这可以通过多个介电性的和传导性的层的交替叠层和/或通过有针对性地引入中断部(例如借助清洗颜料并且接下来洗掉或者借助激光辐射)实现。
[0031]
卷绕件的第一和第二薄膜例如也可以实施为金属薄膜、例如铝薄膜，而不是上述塑料中的一种的塑料薄膜。
[0032]
为了进一步减小电容器的体积或者进一步提高其能量密度，在另一实施方式中，在第一金属化部之前，将剥离层(或者说释放层)和薄的uv漆分别施加到薄膜上。在制造电容器卷绕件时，在即将到达自动卷绕机中的卷绕位置之前，将两个薄膜与所述结构的其余部分分开，并且只有两个带有金属化部和电介质等的薄漆层相叠地卷绕。由此，卷绕件的体积可以减少的量为薄膜体积减去uv漆的体积。
[0033]
根据另一优选的实施方式，可以在薄膜和第一金属化部之间施加剥离层，并且在卷绕时只卷绕或堆叠金属层和印刷层。该实施方式相应于印刷
‑
转移电容器。
[0034]
不言而喻的是，上面提到的和以下还将阐述的特征不只能够在说明的组合中使用，而且能够在其它的组合中使用，而不会脱离本发明的范围，只要这被涵盖在权利要求书的保护范围内。
[0035]
根据以下实施例和补充的附图阐述本发明的优点。实施例呈现优选的实施方式，然而，本发明不应该以任何方式局限于这些实施例。此外，附图中的视图为了更好的理解是高度示意性的，而并不反映真实情况。尤其地，在附图中示出的比例与在现实中存在的比例关系不符，并且只用于改善直观性。此外，为了更好的理解，在以下的实施例中描述的实施方式被缩减为主要的核心信息。在实际的实施中，可以使用明显更复杂的几何成型部或层序列。
[0036]
在附图中分别示意性地：
[0037]
图1示出了由现有技术已知的薄膜电容器；
[0038]
图2示出了根据本发明的在第一实施方式中的薄膜电容器；
[0039]
图3示出了根据本发明的在第二实施方式中的薄膜电容器；
[0040]
图4示出了根据本发明的在第三实施方式中的薄膜电容器；
[0041]
图5示出了根据本发明的在第四实施方式中的薄膜电容器；
[0042]
图6示出了根据本发明的在第五实施方式中的薄膜电容器；
[0043]
图7示出了根据本发明的在第六实施方式中的薄膜电容器。
[0044]
图2示意性示出了根据本发明的在第一实施方式中的薄膜电容器。具有高的介电常数ε
r
的薄的电介质层7印刷在薄膜1的金属层2上，使得薄的电介质层7布置在两个子卷绕件1、2和3、4之间。由于电介质的高的介电常数ε
r
，电容量可以显着提高，击穿能力保持不变或略有改进。
[0045]
在该实施例中，如也在所有以下实施例中那样，上述的分级的金属涂层可以用于确保自修复。然而，为了提高概览性，图2至图7未示出这种分级。
[0046]
在图3中，第二子卷绕件3、4相对于在图2中示出的薄膜电容器旋转。因此，在子卷绕件3、4中，金属层4施加在对置的侧面上，从而金属层4和金属层2只通过薄的电介质层7彼此分隔开。由此附加地提高电容量，因为作为电容器电极2和4之间的附加的距离的薄膜3的厚度被省去，并且只有印刷的电介质7的厚度作为距离d包含在上述公式中。这意味着，例如
在薄膜3的厚度为6μm且印刷的电介质7的层厚为0.3μm的情况下，电容器的电容量单单通过减小的距离就提高了20倍。
[0047]
在图4中，作为对图2所示的薄膜电容器的补充，具有高的介电常数ε
r
的薄的电介质层8也印刷在金属化部4上。
[0048]
图5所示的实施例相应于图3所示的实施例，其中，如在图4所示的实施例中那样，具有高的介电常数ε
r
的薄的电介质层8印刷在金属化部4上。
[0049]
图6所示的实施例相应于图2所示的实施例，其中，两个卷绕件的薄膜1和3在两侧具有金属化部。作为对图2所示的薄膜电容器的补充，在此，金属化部2’施加在薄膜1上，并且金属化部4’施加在薄膜3上。相应于在右上示出的电路图，产生由两个电容器构成的并联电路。
[0050]
图7示意性示出了一种布置结构，利用该布置结构，通过并联连接六个电容器，电容器的电容量可以在体积适度增加的情况下变成六倍。在此，薄膜1和3首先在两侧被金属化2和2’以及4和4’，并且接下来被印刷第一电介质7和8。然后还分别两次被金属化9和9’以及10和10’，并且两次被印刷电介质7’和7”以及8’和8”。
[0051]
金属层9和10在其侧边缘处相对于电介质层7和7’或8和8’在一定程度中向内缩回，使得金属层不会导引到包围它们的层的侧边缘处或者甚至向外突伸出包围它们的层，从而在金属化部9’和10’中，没有发生与金属化部9和10的短路。金属化部9’和10’可实施为，使得它们形成经由电介质7和7’或8和8’向金属化部2和4的桥。金属化部9和10必须分别在后部区域中相对于电介质7’和7”或8’和8”在一定程度中凸出，使得在卷绕之后，金属化部9与4’形成电流接触，并且金属化部2’与10形成电流接触。
[0052]
如果只通过卷绕不能保证安全接触，那么可以在金属化部9和10的没有被电介质层7’和7’或8’和8’覆盖的区域上、优选在金属化部2’和4’的表面上条带形地施加传导性的粘合剂以用于更好的连接。
[0053]
相应于右上所示的电路图，通过卷绕和接下来的金属喷镀将所有六个电容器并联连接。