高比容鋁電解電容器關(guān)鍵技術(shù)研究

張澤權(quán)

摘 要：因?yàn)殇X電解電容器存在體積小、成本低但存儲(chǔ)電量高等優(yōu)勢(shì)，所以被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，而近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于鋁電解電容器的成本、阻抗、比容等要求也隨之提高，這些都對(duì)鋁電容的性能提出了極大的考驗(yàn)。本文將對(duì)提高鋁電容的技術(shù)進(jìn)行分析，尋找鋁電容的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：鋁電容；高比容；技術(shù)

隨著消費(fèi)電子行業(yè)的興起，鋁電解電容器同樣得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐漸呈現(xiàn)出節(jié)能、變頻、新能源等特點(diǎn)，這種迅猛的發(fā)展，對(duì)新材料的需求也愈加迫切。

現(xiàn)階段，電子產(chǎn)品呈現(xiàn)出輕薄化、小型化、組裝高密度化等特點(diǎn)，為適應(yīng)這種趨勢(shì)，鋁電解電容器必須盡量縮小體積、延長(zhǎng)壽命、增加容積。為適應(yīng)電子整機(jī)不斷向小型化、高密度組裝化方向迅速發(fā)展，鋁電容必須進(jìn)一步縮小體積、提高比容、延長(zhǎng)壽命、高頻低阻抗。本文將從鋁電容的陽(yáng)極箔和工作電解液方面探討鋁電容的大電容實(shí)現(xiàn)方法。

一、陽(yáng)極箔技術(shù)的研究

鋁電解電容器分為陰陽(yáng)極鋁箔、浸以飽和電解質(zhì)糊體的紙張、鋁殼及膠蓋，若鋁電容的總?cè)萘繛?C，陽(yáng)極的容量為 CA，負(fù)極的容量為Cc，則 1/C = 1/CA+ 1 / Cc。因?yàn)殛?yáng)極鋁箔表面氧化膜的厚度大于陰極，所以陽(yáng)極箔和電解質(zhì)糊體組成的電容CA遠(yuǎn)小于陰極箔和電解質(zhì)糊體構(gòu)成的電容Cc，所以，要想提高鋁電解電容器的電容量首先應(yīng)當(dāng)增大陽(yáng)極箔的比表面積。

鋁電解電容器的容量：C = ε0εrS/d，由公式得知，要增大陽(yáng)極箔的比表面積的方法有：（1）提高電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；（2）擴(kuò)大陽(yáng)極箔表面積；（3）將電介質(zhì)層的厚度d減小，而 d =KVf，K是單位陽(yáng)極氧化電壓的氧化膜厚度，是材料自身的性質(zhì)，為常數(shù)。增大表面積主要靠電化學(xué)腐蝕擴(kuò)面，但因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程存在諸多因素，受到物理極限的限制，所以倍率的增長(zhǎng)速度緩慢。和常規(guī)鋁陽(yáng)極氧化膜比較，陽(yáng)極氧化膜中，用閥金屬氧化物形成的高階電相摻雜閥金屬的氧化膜，有可能會(huì)使鋁電容得到大幅度提升。目前多是采用 sol-gel 法對(duì)鐵電材料復(fù)合鋁電極箔進(jìn)行制備，用水解沉積法和電化學(xué)沉積法對(duì)閥金屬氧化物復(fù)合鋁電極箔進(jìn)行制備。

1、sol-gel法

Sol-gel法擁有以下優(yōu)勢(shì)：即可實(shí)現(xiàn)低溫處理、可以高效的為襯底材料提供薄膜特性、能夠?qū)哂休^大面積和復(fù)雜表面形貌的襯底材料進(jìn)行涂覆。

Wannabee 、西安交通大學(xué)徐友龍、杜顯鋒等、上海交通大學(xué)王銀華等都利用sol-gel法對(duì)復(fù)合材料的電容性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，這一系列的研究都實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的高電容。

但是利用sol-gel法處理的鋁電極箔需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的干燥以除去表面的溶劑，并反復(fù)浸漬、干燥數(shù)周才能取得較好的效果，且由于部分有機(jī)體系與鋁基體表面存在浸潤(rùn)性問(wèn)題，故而無(wú)法對(duì)成膜的均勻性有保證。

2、水解沉積法

水解沉積法是利用焊有閥金屬的鹽溶液，高溫處理和水解沉積，將Al2O3和閥金屬氧化物進(jìn)行復(fù)合，陽(yáng)極氧化后，在鋁電極箔表面生成高介電常數(shù)的復(fù)合氧化膜的技術(shù)。

由于水解沉積法的工藝實(shí)現(xiàn)方案與工業(yè)生產(chǎn)線兼容，所以極力推廣。

3、電化學(xué)沉積法

電沉積技術(shù)是在外加電壓下，利用電解質(zhì)中的陰離子在陰極可以還原為電子的原理，將原有電解質(zhì)中的離子還原為原子使之形成沉積層。這種工藝因?yàn)楹?jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)、成本低、易于控制薄膜的厚度和結(jié)構(gòu)，所以與其他方法相比在薄膜制備領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前途。

二、工作電解液的研究

工作電解液是電容的實(shí)際陰極，能夠?qū)︿X陽(yáng)極氧化膜進(jìn)行修補(bǔ)，并提供氧離子，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。要研究大容量超高壓鋁電容，電溶液的配置是最關(guān)鍵的技術(shù)，工作電解液的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，并且擁有較高的閃火電壓、較高的氧化效率，比較小的電阻率等性能。為防止對(duì)鋁箔和密封材料的腐蝕，應(yīng)當(dāng)保證pH 值接近中性。

鋁電容工作中的電解液，主要由溶劑、溶質(zhì)、添加劑共同組成，溶質(zhì)的主要功能是為電解液導(dǎo)電并在氧化過(guò)程中提供離子。溶劑在離子溶劑化的過(guò)程中起到重要作用，同時(shí)決定了電容器工作溫度的范圍及碘溶液的電導(dǎo)率，直接影響到閃火電壓。添加劑的作用是改善電解液的某些性能，雖然用量極少， 但對(duì)增強(qiáng)電容器電性能的影響卻極大。

在鋁電容中常用的電解液成分主要有以下幾種：

（1）溶劑：含氧弱酸、硼酸、五硼酸銨等無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)酸。有機(jī)酸氧化能力比較強(qiáng)，但離解度較低，不容易和有機(jī)胺中和，電解液的含水量比較高，閃火電壓低。有機(jī)酸不含硼、介電性好，用量比較少，電離度高，其酸性較無(wú)機(jī)酸低，不容易氧化鋁氧化膜，但閃火電壓較低。

（2）溶質(zhì)：將硼酸改成五硼酸銨后，電解液中的含水量減少，閃火電壓得到提高。有機(jī)酸有很多，關(guān)于溶質(zhì)要根據(jù)具體的電壓來(lái)選擇。

（3）溶劑：堿，包括無(wú)機(jī)堿（氨水）和有機(jī)胺。和氨水比較，有機(jī)胺的含水量非常少，堿性明顯增強(qiáng)。

（4）溶質(zhì)：在實(shí)踐中，溶質(zhì)常常為有機(jī)胺，低壓電容器中用的胺分子較小，中高壓電容器中用的胺分子較大。

（5）普通鋁電容使用液體電解質(zhì)， 存在著液體電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻（ESR）大、難以適應(yīng)信息技術(shù)向高頻化發(fā)展趨勢(shì)、高頻下阻抗值大、性能受溫度的影響大、在高溫下性能極不穩(wěn)定、電阻率隨溫度的下降急劇上升，限制了電容器在極端溫度下的使用等缺點(diǎn)。以上缺點(diǎn)導(dǎo)致其性能與應(yīng)用范圍受到了限制。

利用導(dǎo)電聚合物作為實(shí)際陰極的固體鋁電容不僅克服了上述缺點(diǎn)，還效延長(zhǎng)了電容的壽命提高了其性能。首先因?yàn)閷?dǎo)電聚合物為固體，不必?fù)?dān)心會(huì)出現(xiàn)工作電解液泄露或干涸，提高了鋁電容的工作壽命；其次因?yàn)閷?dǎo)電聚合物為電子型導(dǎo)體，其電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于離子型導(dǎo)體工作電解液的電導(dǎo)率，因此可極大改善電容的阻抗頻率特性，使之具有高頻低阻抗的特點(diǎn)。

目前主要有聚吡咯型（PPY）、7，7，8，8--四氰基對(duì)苯二醌二甲烷（TCNQ） 復(fù)鹽型、導(dǎo)電聚苯胺型和聚（3，，4--次乙二氧基噻吩）型（PEDOT）這四類固體鋁電解電容器。前兩種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，，后兩種還處于開(kāi)發(fā)研究階段，而其中PEDOT最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

結(jié)束語(yǔ)：實(shí)踐中，鋁電解電容器技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，尤其是片式化技術(shù)、高比熔電極箔及電解質(zhì)固體化技術(shù)，明顯推動(dòng)了鋁電解電容器技術(shù)的發(fā)展。本文從電極箔和電解液方面分析了實(shí)現(xiàn)鋁電容大電容的相關(guān)技術(shù)上的可能，尋找大電容鋁電容的實(shí)現(xiàn)方法，期待與專業(yè)人士的共探討。

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