耐高溫耐高紋波的鋁電解電容器研制

通過(guò)優(yōu)選材料，開(kāi)發(fā)高溫下劣化很小的電解液，配合特殊的鉚接卷繞工藝，如負極增容貼片技術(shù)等，研制出耐高溫耐高紋波的高可靠性鋁電解電容器，其壽命可達到135℃2000小時(shí)!適合及滿(mǎn)足高品質(zhì)節能燈使用要求。

　　一，原材料;

　　正極鋁箔是鋁電解電容的主要制作材料，其形成電壓及比容高低與電解電容壽命有著(zhù)直接的關(guān)系，形成電壓越高，產(chǎn)品漏電越小，比容越低，體現在開(kāi)片面積更大，單位發(fā)熱量低，而且對于降低低頻下的損耗從而減少溫升有很大的益處。通過(guò)試驗，我們認為要達到135℃要求，其正極鋁箔形成電壓必須高于590V，比容低于0.38μF/cm2。

　　負極鋁箔主要是收集電流及于正極鋁箔形成復合容量，其復合容量的計算公式為：

　　C=C+×C-/ C++C

　　式中C為復合容量，C+為正極容量，C-為負極容量。由此可見(jiàn)，選擇高比容的負極鋁箔有助于提升總容量及減少試驗后的容量衰減。由于電解電容在放電時(shí)，其負極可能會(huì )承受正向電壓，負極耐壓選擇按下式：

　　V≥C+×V充/ C++C

　　式中可以得出，負極形成電壓越高，產(chǎn)品的可容許通過(guò)的紋波電流將更大，但負極形成電壓提高，其比容會(huì )有所下降，因此我們選擇形成電壓為6V左右的40~50μm厚度的負極鋁箔。

　　電解紙對于電容器的損耗影響較大，在耐壓容許的情況下，選用密度低(060~0.70Kg/m3)厚度稍微厚一點(diǎn)的紙(80~90μm)，這里我們采用WM270-80型號的電解紙，既保證了耐壓，且損耗也維持在一個(gè)比較低的水平，又能夠吸附較多的電解液，保證了電容器高溫度下的長(cháng)壽命工作要求[1]。

　　膠粒方面，由于產(chǎn)品所要求的溫度較高、壽命較長(cháng)，由于國內普遍采用的是過(guò)氧化物硫化的三元乙丙膠，使用三元乙丙膠膠塞要達到135℃的要求, 會(huì )加入許多抗氧化物以及使用無(wú)機填充物來(lái)提高抗熱性，無(wú)機填充物雖然耐溫很高但壽命很短, 抗氧化劑可以耐高溫但會(huì )影響過(guò)氧化物的硫化導致氣密性和電氣特性不好，使電容過(guò)早干枯失效，因此我們選擇氣密性更好的樹(shù)脂硫化方式的丁基膠塞。

　　二，電解液

　　電解液是高溫長(cháng)壽命產(chǎn)品的關(guān)鍵。為保證產(chǎn)品的高溫長(cháng)壽命, 電解液應具有:極低的飽和蒸汽壓減少揮發(fā);極好的高溫穩定性防止高溫性能劣化;較高的閃火電壓防止擊穿;較高的氧化效率能及時(shí)修復受損的氧化膜來(lái)降低漏電流等。

　　溶劑方面，單用乙二醇我們認為已經(jīng)可以滿(mǎn)足135℃使用要求，但由于使用了氣密性好的丁基膠，我們選擇乙二醇以及其它多元醇類(lèi)溶劑混合來(lái)降低飽和蒸汽壓，更能有效的防止電容器高溫工作時(shí)過(guò)早鼓底。

　　而且由于節能燈需要經(jīng)常開(kāi)關(guān)，體現在電容器上需要經(jīng)常進(jìn)行充放電，開(kāi)關(guān)的瞬間電流沖擊對于電解電容器的可靠性來(lái)說(shuō)，是一個(gè)比較重要的因素，鋁電解電容器的工作負極——電解液，是離子導電性質(zhì)，因此在達到一個(gè)比較強的電場(chǎng)時(shí)，發(fā)生氧離子放電生成氧氣，出現閃火發(fā)生，極易造成擊穿現象，再加上鋁箔生產(chǎn)加工過(guò)程中形成的毛刺及電解紙密度的不均勻等情況影響，更易發(fā)生。電容器外觀(guān)表現為輕微起鼓或是防爆閥打開(kāi)等不良。因此如何提高電解液的閃火電壓及迅速修補氧化膜缺陷的能力成為解決此問(wèn)題的首要辦法，因此：

　　溶質(zhì)方面使用含有長(cháng)碳鏈羧酸銨鹽來(lái)配制，隨著(zhù)其碳鏈的增長(cháng)其閃火電壓也越高。如使用帶有支鏈的長(cháng)碳鏈羧酸銨鹽溶液，不僅由于其本身既為液態(tài)增加了在乙二醇中的溶解度，從而提升了電導率，而且由于擁有更長(cháng)的碳鏈，因此其閃火電壓也處于一個(gè)較高的水平。但電解液完全使用這類(lèi)物質(zhì)作為溶質(zhì)則成本將會(huì )太貴，經(jīng)過(guò)工藝試驗驗證后，我們還優(yōu)選了一些傳統的直鏈式二羧酸銨鹽為第二溶質(zhì)作為補充，不僅降低了成本，而且也能滿(mǎn)足高溫長(cháng)壽命的要求。

　　高壓長(cháng)壽命產(chǎn)品用電解液需要有著(zhù)高的閃火電壓及電導率，但這兩個(gè)因素通常是相互制約的，溶質(zhì)含量的增加必然降低閃火電壓。因此筆者在電解液中適當加入一些含有多個(gè)極性基團的高分子聚合物，如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡絡(luò )烷酮等,由于這類(lèi)高聚物一個(gè)分子中就有多個(gè)帶負電荷的極性基團, 與帶正電荷的陽(yáng)極箔靜電引力大, 加之高聚物分子量大, 色散力大, 總的吸附能大, 解吸不容易，能夠牢固地吸附在陽(yáng)極箔表面, 保護了氧化膜，也提高了閃火電壓[2]。

　　鋁電解電容器在進(jìn)行氧化還原反應時(shí)，其負極無(wú)可避免的會(huì )產(chǎn)生氫氣，因此采用了帶硝基的苯環(huán)類(lèi)物質(zhì)使用做為吸氫劑，如對硝基苯甲酸等。但此類(lèi)去極化劑的過(guò)多使用容易提高電子發(fā)射的頻率使得閃火容易發(fā)生[3]，因此我們選用兩種或兩種以上的消氫劑復合使用，達到比較好的吸收氫氣效果,減少了其老化起鼓現象及避免了用量過(guò)多影響閃火電壓的穩定。

　　目前較多廠(chǎng)家作為添加劑用的次亞磷酸銨，經(jīng)過(guò)筆者大量的工藝試驗，配合三元乙丙膠材質(zhì)的膠粒使用時(shí)效果比較好，但是配合丁基膠膠粒時(shí)使用的話(huà)，在老化過(guò)程中電壓稍高就會(huì )產(chǎn)生導針圓弧部位電解紙發(fā)黑的情況，而且伴隨著(zhù)還有產(chǎn)品鼓底現象，筆者針對此現象并做了大量工藝試驗的情況后，選擇8-羥基喹啉來(lái)代替次亞磷酸銨，由于8-羥基喹啉能夠和電解液中溶解下來(lái)的鋁離子進(jìn)行絡(luò )合，降低了產(chǎn)品的漏電流，取得了不錯的效果，且產(chǎn)品在老化時(shí)未發(fā)生電解紙發(fā)黑情況。

　　三，工藝

　　節能燈用電解電容器容易發(fā)生開(kāi)關(guān)擊穿，除了對切割和鉚卷時(shí)的毛刺和箔灰嚴格管控外,另由于在電容器施加高紋波電流時(shí)或者短時(shí)間電壓差和大的充放電時(shí)，因為負極導針鉚接處鋁梗上的電容量非常低，很容易發(fā)生負極打火擊穿，因此我們采取了在負極上墊上一小塊同樣比容的負極鋁箔來(lái)對其進(jìn)行增容處理，提高了產(chǎn)品的可靠性[4]。

　　產(chǎn)品需要承受高溫度下長(cháng)時(shí)間工作，其密封性能很重要，采用硬度很高(邵氏硬度82以上)的丁基膠不需要束腰很深即可達到很好的密封性能;控制芯子含浸后的甩干及暴露于空氣中的時(shí)間，使其保持對電解液相對較多的吸附量;對組立機上芯子振動(dòng)盤(pán)上方加裝蓋子，在生產(chǎn)的時(shí)候阻擋空氣與芯子之間的回流，避免吸收空氣中的水分及雜質(zhì)污染;同時(shí)在組立過(guò)程中將芯子與膠粒之間的間隙控制在0.2~0.4mm之間，有利于產(chǎn)品內氣體在封口前瞬間排出等。

　　為了提高產(chǎn)品的可靠性，在老化時(shí)較原有產(chǎn)品適當提高老化電壓10~20V電壓，并將高溫時(shí)間從原來(lái)的7小時(shí)延長(cháng)至9小時(shí)，不僅有效的降低了產(chǎn)品的漏電流也達到了一個(gè)早期篩選剔除不良品的作用。

　　四，試驗結果

　　通過(guò)優(yōu)選材料，研究高溫下性能劣化小的電解液及使用密封性能優(yōu)異的膠塞，使用一些特殊工藝后研制成的鋁電解電容器具有耐高溫度、耐高紋波及高可靠性，將產(chǎn)品置于135℃環(huán)境溫度下施加直流偏置電壓后疊加120HZ/70mA紋波電流后，其壽命可達2000小時(shí)。其試驗特性參數見(jiàn)下表：

　　400 V, 5.6 μF (φ10 mm×20 mm) , at 135 ℃

　　由于產(chǎn)品所處環(huán)境溫度高,電容器在回路中有大紋波電流情況下,其芯子內部溫升經(jīng)測量可達15℃以上!如果試制的產(chǎn)品所用的正極比容還可以更低，那么電容器的溫升將更加的小。若開(kāi)發(fā)出高溫穩定性更好的電解液，密封性能更好的膠粒材料，使得鋁電解電容器擁有著(zhù)更低的阻抗，更好的散熱設計等，那么鋁電解電容器應還能承受更高的溫度，更長(cháng)的壽命。