分析铝电解电容器工作电解液添加剂及其应用张业华

分析铝电解电容器工作电解液添加剂及其应用张业华

张业华

（广东风华高新科技股份有限公司526020）

摘要：文章概述了影响铝电解电容器性能的主要因素；简要介绍了铝电解电容器工作电解液的作用；详细介绍了铝电解电容器工作电解液添加剂的作用；对工作电解液添加剂的分类、作用机理及其应用进行了全面的分析。

关键词：铝电解电容器；工作电解液；添加剂

在铝电解电容器中,工作电解液按所起的作用,它实际上是这类电容器的实际阴极。工作电解液很大程度上决定了铝电解电容器的性质，所以为提高电容器质量和开发新产品,都必须首先改进或研制工作电解液。因为工作电解液与产品质量和产品新颖性密切相关,牵连到市场竞争和经济效益,所以有关电解液的配制历来属于铝电解电容器生产厂家的机密。在配制工作电解液时,可供选择的原材料很多,并且在配制过程中,其化学反应多变和复杂,在使用中又发生多种变化,因此,有关电解液的配制技术,一向属于电容器的高技术。

1.工作电解液必须满足的特性

工作电解液,在与阳极箔、阴极箔的基体金属及其表面膜、电解纸、容器内壁、封口材料等接触时,应没有反应、侵蚀和逸气等现象发生。高温、高压下,不仅不破坏阳极氧化膜,反而能保护氧化膜,并能对氧化膜的弱点部位、遭受破坏的地方进行电解氧化修补,具有降低漏电流的赋能特性。低温时比电阻极小,使电容器在最低温度使用时,其损耗角正切值能保持在容许值,要求工作电解液的冰点足够低。对电极表面有良好的润湿性。工作电解液在浸渍时,要对铝箔的宙蚀孔洞、裂纹,以及电解纸都应具有良好的渗透性。这种特性极为重要,万一浸渍不充分,就会使电容器的静电容量变小,损耗角正切值变大。

2.工作电解液的选定

2.1据电解电容器的额定电压

电解电容器在高电压情况下使用时,必须要考虑阳极氧化膜在工作电解液中不发生闪火现象,从这一点出发,加上高压情况下使用,易使电容器内部温升高,闪火电压易在低压发生,所以一定要选择闪火电压高于电容器额定电压的工作电解液。这种工作电解液需含水量少、粘度大、电阻率大。低压铝电解电容器也要考虑闪火电压，虽然正常情况下电压都够,但要考虑低电压电容器的阳极箔比容大,腐蚀孔洞多,而且细深,即使工作电解液粘度小,损耗也大。因此,高压电解电窗口器用粘度高、电阻率大的工作电解液,低压电解电容器用粘度低、电阻率小的工作电解液。

2.2据电解电容器的使用温度

工作电解液的电阻率随温度的降低而增大,特别是当工作电解液冻结时,电阻率会变得液极大。因此,普通电解电容器随使用温度的降低电容量减小,损耗变大。以要制造在寒冷环境下工作的电解电容器，工作电解液的配方必要要进行调整。工作电解随温度的上升,活性增强,很容易和电极反应,使电容器内蒸汽压提高,特别是工作温度超过125℃时,会使电容器容量变小,损耗变大,漏电流剧增,甚至会导致电容器爆炸。最近提出了工作在-55℃到+125℃(或150℃)的铝电解电容器,满足高低温使用的电解液，关键还是在高温稳定剂。

2.3降低漏电流的添加剂

铝电解电容器采用电化学方法形成很薄的氧化膜介质，介质膜的绝缘质量受到形成工艺及原材料纯度的影响，在其表面不可避免的存在各种缺陷。在电场作用下，这些缺陷就会形成离子电流，它与氧化膜电子电流就构成了漏电流。因此漏电流的大小是判断铝电解电容器质量的一个重要参数。造成电容器使用过程中漏电流增大的主要原因是阳极氧化膜的腐蚀引起的缺陷。有些添加剂可抑制漏电流增大，这类添加剂主要有在门捷列夫元素周期表中Ⅶ副族元素Cr、Mo、W的酸，如硅钨酸、钼酸、铬酸酐等；羟基芳香族化合物，如二羟基苯甲酸它能有效防止阳极氧化膜脱落，有较强的氧化能力，能降低漏电流。

3.铝电解电容器工作电解液添加剂的分类及应用

主电解质对电解液起着支撑作用，但电解液中还含有多种其它添加剂以提高和改善电解液的性能。添加剂在电解液中的用量较少，但对电解液的性能改善作用是极其显著的。由于对铝电解电容器的要求越来越高，所用添加剂的品种也在逐渐增多。按添加剂的作用不同，添加剂可分为以下几类：

3.1防水合剂

在铝电解电容器工作中，电解液介质中的水分子会与铝氧化膜反应生成水合氧化膜，导致电容器性能恶化甚至失效，因此需在电解液中加入防止水合作用发生的添加剂，使电容器性能的失效得以改善。具有防水合作用的添加剂主要有：磷酸、次亚磷酸、磷酸铵、磷酸二氢铵、硅酸化合物、铝盐等。磷酸盐系列防水合剂的作用机理为：此类化合物可以在铝氧化膜表面形成一层网络状磷酸铝转化膜来抑制水分子的侵入。其反应式如下Al3++PO43-=AlPO4(转化膜)。这层磷酸铝转化膜结构是稳定的，抗水合能力高，耐腐蚀能力强，可有效地抑制介质氧化膜的水合作用。但由于磷酸的酸性强，过量的添加对氧化膜有腐蚀作用；而量小效果又差，且防水合作用不持久。在90℃以上的高温下，磷酸铝石层也不稳定，易失去防水合能力。研究表明添加磷酸酯能改善这些缺点。比如，卢云等采用在电解液中添加乙二醇与五氧化二磷形成的酯化物，这种酯化物不腐蚀铝箔且形成的保护膜在高温下极其稳定。邢少龙等采用磷酸、异丙醇、乙二醇制备一种混合酯作为添加剂，此混合酯能非常有效地抑制水合反应，电容器的使用寿命也大大延长。其它的防水合添加剂有硅酸化合物，这是由于硅酸根离子能有效地抑制铝氧化膜产生水合作用。

3.2其它稳定性添加剂

除了上述外,还有许多不明其理的试剂,但加入后确能起稳定作用。如通入氧气或臭氧之类的氧化性气体,加入硝基类或亚硝基类有机化合物、氧化氮气、亚硝酸及其盐、苯、尿素、葡萄酸内醋、砷化合物、Ca、Mg等氧化物或氢氧化物及其盐、三乙胺、乌洛托品、2。4一已二烯酮、多价苯酚、铁离子和赘合物制成的鳌合试剂、对硝基苯酚、甘露糖醇、木糖醇、赤鲜醇、重铬酸按和山梨糖脂肪酸酉旨等。

3.3消氢剂

消氢剂又称吸气剂、去极化剂、防爆剂。其目的是消除工作电解液中释放的气体(主要是氢气，其次是水蒸气)，以降低电容器内部的压力。电容器阳极氧化膜的修补需要的氧实际上是水电解提供的，因此不可避免地在阴极析出氢气。而析出的氢气过多会导致内压升高，严重的会造成鼓底，甚至防爆阀打开。工作电解液的消氢剂能有效地抑制或消除氢气。此类添加剂种类很多，如含硝基、芳香环和不饱和烃基的化合物。常用的消氢剂有间苯二酚、对硝基苯酚、对硝基苯甲醇、对苯醌等。从有机分子结构了来看，这类化合物都具有“硝基效应”，它们都含有一个或多个硝基的芳香环。而硝基和芳香环等基团具有较强的吸电子能力的诱导效应，又具有硝基上的π电子与苯环形成ππ共轭体系引起的共轭效应。此类化合物具有强还原性，可有效降低电容器工作时阴极氢气的释放而导致的电容器内压上升。

结论

铝电解电容器工作电解液的配制是个复杂精巧的过程，涉及到的主电解质及添加剂多达十几种。有的添加剂还同时具有多种功能。比如磷酸盐系列添加剂：它具有防水合作用；可以提高电解液的闪火电压；还可以提高导电性能和氧化效率。不同主电解质及添加剂的搭配发挥的作用各不相同，有的搭配会给电解液带来正协同作用，而有的搭配会降低电解液的性能。因此电解液中添加剂的合理选择非常重要。

参考文献：

[1]陈华梁，亚芹，丰磊．高频低阻抗长寿命铝电解电容器的研制[J]．电子质量，2004，(2)：13-15．

[2]卢云，丰磊．高频低阻抗长寿命铝电解电容器的研制[J]．电子质量，2004，(2)：13-15．