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发展趋势 - 脉冲电容原理与高储能密度脉冲电容器的研究

2018年02月12日 15:30 网络整理 作者: 用户评论(0

发展趋势

随着对高分子聚合物的击穿机理和金属化电极自愈机理研究的深入,一些新的材料和工艺已经或逐渐应用于电容器领域。

分割电极金属化膜

分割电极金属化膜的应用大大延伸了自愈的概念,为电容器提供了二次保护,故称其为安全膜。安全膜采用分块蒸镀和非均匀蒸镀技术制成,由无数分割的膜块组成,不同膜块间仅以很细的蒸镀金属丝相连(见图3)。一种安全膜电容器结构见图4,当某一膜块中发生击穿时,击穿点会发生自愈;而未击穿膜块中的电荷通过金属丝流向击穿的膜块,金属丝被大电流瞬间蒸发从而隔断了击穿膜块与周围的电气连接,实现二次保护,确保电容器的良好自愈(见图5)。安全膜的应用克服了普通金属化膜电容器自愈部份易2次击穿的缺陷,使储能介质可在接近其极限场强下工作,大大提高了电容器的储能密度及安全性能。

脉冲电容原理与高储能密度脉冲电容器的研究

研究表明,稍远一些膜块金属丝的断开不是受热蒸发所致,而是因薄膜与蒸镀金属之间的热膨胀系数不同所产生的机械应力造成。如何选择最佳的金属化蒸镀方案和改善蒸镀金属与基膜之间的附着状况还有待深入研究。ABB公司的研究表明,选择合适的介质薄膜可提高电容器寿命10倍以上,而成功的金属化电极设计可以提高电容器寿命6倍以上。

复合膜的应用

目前应用于金属化电容器的薄膜有聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯等,这些材料各有优缺点,它们的介质电容器储能密度都已达到或接近极限值。复合介质膜是一种新型的储能介质,其原理是在一层基膜上复合一层很薄的介质材料使其具有更优异的性能。不同复合材料的特性也不同。现正研发用于电容器的复合膜如复合陶瓷薄膜、复合PVDF膜及金刚石薄膜等都有非常优异的电气性能。其中金刚石复合薄膜是在介质基膜上蒸镀一层薄的金刚石涂层形成,它兼具优良的电、热传导性能及化学稳定性而备受瞩目。用其制成的电容器尤其适用于高储能密度领域。复合膜电容器由于成本等原因现停留在实验室阶段

脉冲电容原理与高储能密度脉冲电容器的研究

改善端部的接触

金属化电极结构电容器端部喷金的接触限制了电容器在很多领域,特别是大电流陡脉冲放电领域的应用。端部喷金与电极边缘接触的恶化也是金属化电容器失效的主要原因之一。高储能密度脉冲电容器端部喷金接触的恶化受诸如放电电流的热效应、机械效应以及电极边缘的局部放电等因素的影响。在同样热效应的情况下,峰值电流大的电流脉冲引起的端部接触的破坏较大。

增大喷金与电极的接触面及改善电极边缘电场分布(如采用油浸渍结构)的方法都是有效的。前者可采用电极边缘加厚的方式。Averovox公司用双面金属化聚酯膜做电极,聚丙烯膜做介质结构的电容器端部通流能力和耐高温性能更好。

与复合膜类似,复合喷金材料也可改善端部通流能力。在喷金时先喷一层低熔点的金属(如锌或锡),因其电阻率较高,待其凝固和冷却后再喷一层低电阻率的材料(如铜)。虽然铜的熔点高很,但它不是直接喷在金属化膜上,因而避免了对膜的损伤。二者采用合适的比例即可大大降低因端部接触引起的发热,提高电容器的通流能力。

随着材料科学的进步、大量新型电介质材料的出现以及工艺的改进,储能密度2~3kJ/L的电容器可望投入使用。

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( 发表人:李倩 )

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