要：
铝电解电容器是各种电子产品不可替代的重要元件, 广泛应用于电源、主机板、电子节能灯及汽车电子等电子设备。近年来电子元器件集成化与高速处理化技术迅猛发展, 通信产品高频化及移动产品小型化、高性能化技术的不断革新, 全球市场对电容器技术性能提出了更高的要求。“小尺寸、大容量、耐高温、长寿命”是铝电解电容器发展的必然趋势。
400 V高压、长寿命工作电解液必须具备如下特点:
(1) 耐高温:工作电解液能在很高的使用温度 (如150℃) 下具有活性, 稳定工作。
(2) 低饱和蒸气压:工作电解液本身饱和蒸气压必须很低, 加入吸氢剂吸收产品内部氢气, 这样才能抑制电容器内部压力过大, 减少鼓炸, 延长电容器使用寿命。
(3) 合适的黏度:黏度是电解液的重要参数之一, 它关系到电解液的电阻率、饱和蒸气压、低温物化性能等, 合适的黏度为40~60 m Pa·s。
(4) 高电导率:工作电解液必须具备较高的电导率, 才能制得高频低阻抗、耐高纹波、耐高温的高压电容器。其高压工作电解液的电导率约为1.7×10–3 S/cm (30℃) 。
(5) 闪火电压高且稳定:为保证高压铝电解电容器的工作电压, 工作电解液的闪火电压需有一定的富余值, 并且在高低温情况下非常稳定。
(6) 高氧化效率:高压铝电解电容器要求工作电解液有较高的氧化效率, 能尽快恢复被损坏的介质氧化膜层, 延长产品的高温寿命。
(7) 物化性能稳定, 使用寿命长:电解液中的成分物化性能不稳定, 成分之间易相互发生反应生成水, 破坏氧化膜结构, 使电容器漏电流严重增大, 电容器严重发热而损坏。
(8) 无毒无害无腐蚀:工作电解液最好无毒无害, 不对人体产生伤害, 不对环境产生污染, 对铝箔、导针及密封胶塞无损伤。
表1 混合溶剂配比及试验数据Tab.1 Mixed solvent ratio and test data
混合后倒入5个同样的聚四氟乙烯密封罐中, 用夹具夹紧, 置于135℃环境中, 24 h后取出, 冷却到室温, 称量计算所得数据见表1。从表1中质量损失率可以看出4号损失最小, 即4号混合溶剂的饱和蒸气压最小。
表2 含水量比较Tab.2 Comparison of water content
添加剂在电解液中的用量少, 但对电解液的性能改善起着十分重要的作用。
不同体系的电解液添加剂所起的作用不相同, 同体系同添加剂在不同的配制工艺中所起的作用也不尽相同, 因此, 添加剂对工作电解液的影响很微妙、复杂。
笔者除添加常规稳定剂、消氢剂外, 还添加了其他多种功能剂。
(1) 渗透剂。为了充分发挥电容器容量和降低损耗, 加入渗透剂JFC。JFC是脂肪醇与环氧乙烷的加成物, 呈中性, 易溶于水, 耐酸碱, 由于JFC疏水基短, 所以渗透性好。
(2) 加入阻化性氧化阴离子, 如钨酸盐。
(3) 能和腐蚀性杂质离子结合的化合物, 如硝基化合物、银化合物 (苯甲酸银) , 经过多次试验, 最终选用带负电极性的有机缓蚀剂。
(4) 添加大分子羧基酸 (如柠檬酸) , 其在溶剂中电离出阴离子, 在电场的作用下, 吸附在阳极表面, 形成一个吸附层, 这个吸附层有屏蔽电场的作用, 并使作用在电极的电场均匀, 消除了边缘效应, 同时可提高闪火电压 (U
s) 20~50 V。
(5) 植酸酸性弱, 但能在阳极箔表面形成非常稳定的保护膜, 减少生成气体, 降低漏电流。
(6) 乳糖、核糖等有机高分子, 有很强的亲水性, 可阻止水与氧化膜的接触, 防止水合与侵蚀。
(7) 重铬酸铵可快速修复氧化膜的损伤, 并有助于高温闪火电压的稳定。
(8) 变性硅油的加入, 能提高氧化膜介质的强度。
还添加如纳米二氧化硅、聚环氧乙烷环氧丙烷醚、8-羟基喹啉以及聚合硼酸酯等其中的一种或多种。这些添加剂的引入, 可形成协同效应, 大大改善电解液的性能, 使铝电解电容器电解液具有耐高压、耐高温、耐纹波、耐腐蚀等特点, 从而提高铝电解电容器产品的使用寿命。
当p H值为5.0~6.5时, Al
2O
3氧化膜较稳定, 为此, 将电解液的p H值控制在5.5~6.5。控制p H值在一定范围内还可减少NH
3的挥发。
提高电解液的烧煮温度, 加入防老化剂可减少电解液水分的含量, 经优化试验所得的高压工作电解液配方如表3所示。
表3 高压工作电解液配方Tab.3 Formula of high voltage working electrolyte
从表4可以看出, 第5组的束腰深度太深已制作不出合格的电容器, 1组到4组束腰深度逐渐增加, 实验2 000 h后损失的总质量 (电解液损失) 逐渐减少, 由此可见束腰深度对电容器的密封有着重要的影响。笔者实验中束腰工艺值为8.30~8.35 mm效果最佳。
从表5, 表6可以看出, 在严酷的条件下, 笔者研制的电容器在高温负荷寿命试验和高温储存寿命试验全部通过考核, 性能稳定, 外观正常, 试验结果数据优异, 达到研制目标要求;而同条件下做实验的对比样都表现出不同程度的劣化和损坏。
