充電器專用超小型鋁電解電容器研究

楊治安，陶艷軍，劉 毅，肖 威，艾 亮

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充電器專用超小型鋁電解電容器研究

楊治安1,2，陶艷軍1,2，劉 毅1,2，肖 威1,2，艾 亮1,2

（1. 湖南艾華集團股份有限公司，湖南 益陽 413000；2. 湖南省特種電容器工程技術(shù)中心，湖南 益陽 413000）

以適合快速充電用鋁電解電容器為研究對象，通過對高比容陽極箔的研究，開發(fā)出電導率在2.6×10–3S/cm、閃火電壓在500 V以上的高電導率、高閃火電壓以及高溫性能穩(wěn)定的工作電解液；并對制造工藝進行優(yōu)化與改善，研制出的充電器專用鋁電解電容器體積只有常規(guī)產(chǎn)品的2/5，400 V產(chǎn)品在85 ℃溫度條件下，最高可抗500 V的高電壓，并且可通過3 Ω 2.0 kV的雷擊浪涌試驗，壽命達到3000 h（105 ℃）。

快速充電器；鋁電解電容器；電解液；高電壓；小體積；高比容

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，智能手機對電量消耗很快，在電池容量沒有取得突破性進展的情況下，對充電的速度要求越來越高[1-3]。目前技術(shù)主要從以下途徑來提高充電速度：一方面提高充電電流（國內(nèi)優(yōu)質(zhì)手機廠商充電電流可達5 A），另一方面提高充電電壓。兩者都能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，最新一代的手機充電器最高功率能夠達到24 W以上。目前市場普通充電器一般在5 W左右，而快速充電器的功率是普通充電器2倍甚至更高[4-6]。隨著功率的大幅度提升，需要電容量更大、耐紋波以及電壓能力更高的鋁電解電容器來滿足應用要求。而在充電器體積并沒有增大，甚至還有逐漸減小的情況下，如何研制更大電容量并且性能優(yōu)良的鋁電解電容器，成為目前各電容器廠商研究的課題[2]。表1為普通充電與快速充電器專用鋁電解電容器的規(guī)格。

從表1可以看出快速充電器用鋁電解電容器的電容量是普通充電器用鋁電解電容器的3倍左右，但由于充電器的體積不變，電容器尺寸設計空間需保持不變。例如400 V 22 μF產(chǎn)品，正常設計產(chǎn)品尺寸在12.5 mm×25 mm；而快速充電器產(chǎn)品就需要在10 mm×16 mm的尺寸來滿足電容量。就尺寸而言體積縮小到原來的2/5。由于快速充電器產(chǎn)品相較普通充電器產(chǎn)品功率成倍增大，快速充電器產(chǎn)品鋁電解電容往往需要比普通規(guī)格具備更高耐電壓以及抗大電流沖擊的能力。

表1 普通充電器與快速充電器常用鋁電解電容器的規(guī)格

Tab.1 The specifications of the commonly used aluminum electrolytic capacitors for common chargers and quick chargers

1 實驗

1.1 實驗原料

陽極箔、陰極箔、鋁殼、工作電解液、引出線、電解紙、橡膠塞、膠帶、PET熱縮套管。

1.2 實驗儀器

陽極箔的比容測試采用精密LCR數(shù)字電橋（YD2817A型），工作電解液的電導率、閃火電壓、水含量及pH值分別采用電導率測試儀（DOS-307）、電解液閃火測試儀（TV-1000B）、水分測試儀（MKS-500）及pH測試儀（pH3210），電容器的漏電流使用漏電流測量儀（ZX6589），電容量和損耗角正切值使用精密LCR電橋（E4980A）測量。

2 電解液研究

應用于快速充電器用高壓鋁電解電容器的電解液，應當滿足高溫穩(wěn)定性良好、閃火電壓高、電導率高以及氧化效率高等要求，因此電解液必須選用合適的溶劑、溶質(zhì)以及添加劑。

2.1 溶劑的選擇

選用乙二醇為主要溶劑，并適當加入二甘醇高溫穩(wěn)定性溶劑，形成一種耐高溫的復合溶劑。并加入少量的水作為溶劑以提高電解液的電導率。電解液組分及質(zhì)量分數(shù)如表2所示。

2.2 溶質(zhì)的優(yōu)選

溶質(zhì)在溶劑中需要保持一定的溶解性和電離度，并且能夠提供修復氧化膜的含氧基團以及良好的高溫化學穩(wěn)定性。使用五硼酸銨、癸二酸銨、十二羧酸銨按一定比例混合作為溶質(zhì)，具備較好的高溫化學穩(wěn)定性和氧化效率[8]。

表2 電解液組分及配比

Tab.2 Electrolyte composition and proportion

2.3 添加劑的選擇

為了獲得高電導率、高閃火電壓的工作電解液，需要加入一定的添加劑。

電容器在老化與工作過程中，電解液會對陽極箔進行修復，而這個過程中會產(chǎn)生氣體，主要為氫氣；加入消氫劑后就不會因為氫氣而產(chǎn)生鼓包或者爆炸。使用硝基苯甲醇等作為消氫劑，利用其具有電負極的基團與H+結(jié)合的特性，大大減少了氫氣的產(chǎn)生量[9]。

為保證電容器在過壓情況下，不會因為電解液閃火而導致電解紙擊穿而短路。在電解液中同時加入一定比例的有機納米硅溶液和二聚甘油聚氧乙烯醚，其能夠吸附在陽極表面，提高陽極表面氧化膜的強度，從而提高閃火電壓[10]。為了降低快速充電器產(chǎn)品的待機功耗，必須減小電容器的漏電流，在電解液中加入一定比例的硅鎢酸，由于其具有強氧化性，能有效修復陽極箔表面氧化膜的損傷，抑制鋁電解電容器漏電流的增大。

2.4 電解液性能

2.4.1電解液基本參數(shù)

表3是通過對電解液成分以及含量進行優(yōu)化后的性能參數(shù)。優(yōu)化后的電解液在閃火電壓以及電導率上均有較大的提升。其中閃火電壓從480 V提高到500 V以上，有效提升了電容器的耐電壓性能；電導率從2.0×10–3S/cm提高到2.6×10–3S/cm，這大大降低了電容器的損耗，從而保證了產(chǎn)品的耐紋波能力，同時增強其抗電磁干擾能力。

表3 優(yōu)化前后電解液性能參數(shù)

Tab.3 The performance parameters of electrolyte before and after optimization

2.4.2 電解液高溫穩(wěn)定性

針對電解液的高溫穩(wěn)定性，筆者做了以下研究：

（1）圖1記錄了105 ℃環(huán)境下優(yōu)化前后電解質(zhì)量隨時間的變化數(shù)據(jù)。

（2）測量貯存在105 ℃環(huán)境中優(yōu)化前后電解液隨時間推移的閃火電壓與電導率參數(shù)，詳見圖2與圖3。

圖1 電解液質(zhì)量隨時間推移的變化曲線

圖2 優(yōu)化前后電解液閃火電壓變化曲線（105 ℃）

圖3 優(yōu)化前后電解液電導率變化曲線（30 ℃）

在105 ℃高溫下，隨著時間的延長，電解液質(zhì)量持續(xù)衰減。在3000 h，優(yōu)化后電解液質(zhì)量損失率約為4%，低于優(yōu)化前電解液。在不同時間段，兩者的閃火電壓與電導率參數(shù)變化趨勢大致相同且其差值也基本保持恒定。但優(yōu)化后電解液的初始參數(shù)值均較高，其變化率也就低于優(yōu)化前電解液，這表明優(yōu)化后電解液的穩(wěn)定性優(yōu)于優(yōu)化前電解液。

3 電容器制作

除電解液外，影響鋁電解電容器性能的還有諸多因素，現(xiàn)就陽極箔和工藝要求簡要分析。

3.1 陽極箔選擇

陽極箔是鋁電解電容器的主要原材料，其純度的高低很大程度上影響電容器的耐腐蝕性、漏電流等性能[7]。在優(yōu)選高純箔的條件下，采用新開發(fā)的腐蝕技術(shù)以及有機酸與無機酸混合而成的混酸化成工藝擴大了實效表面積的高倍率陽極鋁電極箔。表4為新腐蝕化成工藝與常規(guī)工藝比容對比。從表格數(shù)據(jù)可以看出，在相同的耐壓條件下，新工藝的陽極箔比容要比常規(guī)工藝的比容高10%以上。超高比容的陽極箔為小型化、大電容量的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

表4 新工藝與常規(guī)工藝制備的陽極箔比容對比數(shù)據(jù)

Tab.4 Specific capacitance of anode foil with new process and conventional process

3.2 工藝要求

為了解決快速充電專用鋁電解電容器因橡膠塞薄、電解紙薄且留邊量小引起的漏液以及電容器短路問題，需要對整個工藝進行優(yōu)化和改善，提高產(chǎn)品的壽命及可靠性。

（1）針對使用超薄電解紙容易由鋁箔在裁切過程中產(chǎn)生的毛刺刺穿電解紙導致正負極短路的現(xiàn)象，采用正負箔錯位卷繞的方式，將大幅度避免由箔邊毛刺導致正負箔短路的情況。同時采用大電流燒毛刺工藝，在電容器卷繞成芯子的狀態(tài)下，在引線兩端加以較大電流，由于鋁箔毛刺具有尖端放電效應，利用瞬間大電流燒除毛刺可以降低短路現(xiàn)象的發(fā)生并剔除不良產(chǎn)品。

（2）塞孔壁與引線鋁梗的接觸面積減小導致密封性能下降。在橡膠塞孔滴加密封油工藝，彌補了這一缺陷，從而確保了電容器的密封性。

（3）為剔除由于毛刺、擦傷等原因?qū)е碌目闺妷耗芰ο陆?，但電參?shù)正常的電容器，在老化工序采用不同溫區(qū)，提高電壓老化的方式，可有效剔除有缺陷以及耐壓不足的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的可靠性。

4 電容器性能參數(shù)

4.1 小體積參數(shù)

通過選用超高比容的陽極箔、超薄橡膠塞、高密度超薄電解紙以及優(yōu)化后的電解液配方，采用優(yōu)化生產(chǎn)工藝制備了符合快速充電器的小體積、大電容量的鋁電解電容器，優(yōu)化結(jié)果見表5。

表5 改善前后產(chǎn)品尺寸對比

Tab.5 Size difference before and after improvement

快速充電器專用鋁電解電容器與同業(yè)及日系尺寸比對見表6。

表6 Aishi電容器尺寸對比表

Tab.6 Size comparison between Aishi samples and its competitors

4.2 性能試驗結(jié)果

(1) 105 ℃高溫紋波試驗比對如表7所示。

表7 優(yōu)化前后電容器紋波電流對比

Tab.7 Ripple current difference before and after improvement

注：105 ℃，無風，100 kHz下測試。

表7中不同產(chǎn)品在施加同等變化的紋波電流時，其中心溫升表現(xiàn)出明顯的差異。從溫度變化來看，電容器中心溫升均有所增加。但是隨著紋波電流的遞增，優(yōu)化后電容器的中心溫升明顯低于其余產(chǎn)品，相對應地表明優(yōu)化后的電容器能夠承受的紋波電流也更大。

(2) 不同廠家400 V 12 μF產(chǎn)品在105 ℃高溫負荷下參數(shù)比對如圖4~6所示。

圖4 電容量變化率對比

圖5 損耗變化對比

圖6 漏電流變化對比

根據(jù)以上參數(shù)隨時間的變化可以看出：經(jīng)優(yōu)化快速充電器專用鋁電解電容器與同業(yè)日本A公司同系列產(chǎn)品在105 ℃，3000 h高溫負荷壽命試驗中表現(xiàn)出近似的變化率，且在合格的范圍內(nèi)。而中國A公司電容器在2000 h后出現(xiàn)較大的損耗以及電容量損失。

(3) 105 ℃高溫貯存試驗比對如表8所示。

表8 不同廠商電容器貯存特性比較

Tab.8 Different vendors capacitor shelf life test

注：每組各10支電容器，數(shù)據(jù)取平均值。

試驗產(chǎn)品規(guī)格為400 V 12 μF，不同廠家電容器在1000 h的105 ℃貯存后其特性所表現(xiàn)的趨勢大體相同，但日本廠家與我司優(yōu)化后的電容器在漏電流初始值和變化率上表現(xiàn)更加優(yōu)異。

(4) 85 ℃高溫過壓試驗比對如圖7所示。

圖7 85 ℃高溫過壓試驗對比

在85 ℃的環(huán)境溫度下，使用電解液優(yōu)化前后的電容器，試驗數(shù)量相同(10支)的產(chǎn)品。在每一電壓檔持續(xù)5 min后升壓5 V直至所有電容器失效，記錄各電壓段失效電容器的數(shù)量。改善后的電解液較之優(yōu)化前，高溫耐電壓能力從485 V左右提升到500 V以上。在大功率的快速充電器電路中，高耐電壓使產(chǎn)品更能應對電網(wǎng)異常造成的高電壓。

(5) 雷擊浪涌試驗

經(jīng)過優(yōu)化設計的應用于快速充電器的鋁電解電容器在通過3 Ω 2.0 kV的雷擊浪涌試驗（如圖8）后，參數(shù)仍然保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對小體積快速充電用鋁電解電容器工作電解液的優(yōu)化開發(fā)，獲得電導率高、閃火電壓高、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能的電解液。經(jīng)對原材料的選用以及制造工藝的完善，制備出的電容器能夠滿足快速充電器對其小體積、耐大電流紋波、耐高溫高壓、抗雷擊的要求，并且105 ℃高溫負荷壽命達到3000 h。

圖8 整機3 Ω 2.0kV雷擊通過電容器波形圖

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（編輯：曾革）

Study on subminiature aluminum electrolytic capacitorsdedicated for quick charger

YANG Zhian1,2, TAO Yanjun1,2, LIU Yi1,2, XIAO Wei1,2, AI Liang1,2

(1. Hunan Aihua Group Co., Ltd, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 2. Special Capacitor Engineering Technology Center in Hunan Province,Yiyang 413000, Hunan Province, China)

Aluminum electrolytic capacitor dedicated for quick charger was taken as the research object. By studying the aluminum foils with high specific capacitance and developing working electrolyte which had high conductivity (2.6×10–3S/cm), high break-down voltage (over 500 V) and high temperature stability as well as optimizing the manufacturing processes, aluminum electrolytic capacitor whose size was merely two fifth of the conventional product was developed. Such capacitor, with the rated working voltage of 400 V, can subject to an overvoltage of 500 V under the ambient temperature of 85 ℃. It exhibits long lifetime of 3000 h at 105 ℃ and passes the surge test under the condition of 3 Ω, 2.0 kV.

quick charger; aluminum electrolytic capacitor; electrolyte; high voltage; miniature size; high specific capacitance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.001

TM53

A

1001-2028（2017）12-0001-05

2017-08-30

艾亮

工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級強基工程專項（No. 0714-EMTC02-5271）；湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項目（No. 2015GK1045）

楊治安（1975－），男，湖南益陽人，研究方向為先進電子材料、電解質(zhì)以及器件制備，E-mail: yza@aihuaglobal.com；

艾亮（1983－），女，湖南益陽人，工程師，研究方向為先進電池材料及器件制備，E-mail: jiyu-li@csu.edu.cn。

2017-11-30 14:11

網(wǎng)絡出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1411.001.html