水性電解電容器：從瘟疫到不可或缺的組件

Christian Kasper （儒卓力(Rutronik)公司 電解和聚合物電容器技術(shù)支持部門）

摘要：自眾所周知的“電容器瘟疫”以來，水性電解電容器在業(yè)界的形象一直不佳。不過，事過境遷，它們現(xiàn)在可以滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵要求，并且以聚合物混合電容器的形式成為新的替代產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：電解電容器；水性；鋁

      在21世紀(jì)初，水性電解電容器通常使用錯(cuò)誤的抑制劑或鈍化劑混合物來制造，導(dǎo)致電容器出現(xiàn)通風(fēng)開口、橡膠塞被推出，或者組件因爆炸而完全被破壞，這就是所謂的“電容器瘟疫(capacitor plague)”。如今這些問題不再存在了，如要了解這些電容器的優(yōu)勢及其對現(xiàn)代電子設(shè)備的好處，便需要知曉關(guān)于這些組件的基本知識。

1  電解電容器如何工作？

　　與其他電容器技術(shù)相比，鋁電解電容器有一個(gè)主要優(yōu)勢：具有吸引力的實(shí)惠價(jià)格，可確保在最小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電容值。此外，它對過電壓不敏感，這是數(shù)據(jù)手冊中浪涌電壓參數(shù)突出強(qiáng)調(diào)的事實(shí)。鋁電解電容器的缺點(diǎn)則是其阻抗較高，電解液會隨時(shí)間的推移而干涸，低溫下阻抗大幅增加以及其對工作溫度的依賴性。這是由規(guī)定的組件參數(shù)決定的，而組件參數(shù)又由所使用的電解質(zhì)來決定。

2  電解電容器的設(shè)計(jì)

　　具有液體電解質(zhì)的電解電容器(e-cap)基本上由兩個(gè)由隔離紙分隔開的鋁箔條組成（如圖1）。通過電化學(xué)蝕刻增大陽極鋁箔的有效接觸面積。當(dāng)施加電壓(形成)時(shí)，在表面上形成一層薄薄的氧化鋁層，可充當(dāng)電介質(zhì)。液體或固體電解質(zhì)則形成了陰極，它通過第二鋁箔與外部接觸。兩個(gè)鋁箔在預(yù)定點(diǎn)縫合在一起，然后與隔離紙一起纏繞并浸泡在液體電解質(zhì)中用于浸漬目的。最后，使用橡膠塞來密封帶有浸漬繞組的電容器罐。

　　在設(shè)計(jì)電容器時(shí)，隨后的等效串聯(lián)電阻(ESR)值由縫合、所用電解質(zhì)和隔離紙決定。

3  電解質(zhì)的比較

　　如今，有多種不同液體電解質(zhì)用于電解電容器中。含有乙二醇(EG)或硼酸的電解質(zhì)主要用于溫度高達(dá)85℃的中高壓電解電容器中。

　　在這種情況下，電解質(zhì)中的水含量約為5%~20%。可使用抑制劑(化學(xué)抑制劑)來防止氧化鋁層受到水的負(fù)面影響。有機(jī)電解質(zhì)，比如二甲基甲酰胺(DMF)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)和二甲基乙酰胺(DMA)允許用于-55~150℃ 的寬溫度范圍。它們具有穩(wěn)定的參數(shù)，例如低泄漏電流和良好的長期性能，因此可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行。這些有機(jī)電解質(zhì)的含水量極低。

　　含水電解質(zhì)的含水量可高達(dá)70%。這種高濃度具有以下優(yōu)點(diǎn)：介電常數(shù)(介電導(dǎo)電率) ε= 81的水具有結(jié)合極大量鹽離子的優(yōu)異性能。這帶來了出色的導(dǎo)電率，反映在極低的ESR中。

　　相反地，與幾乎無水的傳統(tǒng)電解質(zhì)相比，水性電解質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)明顯更高的紋波電流性能。此外，由于含水量高，電解質(zhì)填充的材料成本顯著降低了。

　　然而，它們也有一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，因?yàn)樗谂c鋁直接接觸時(shí)會發(fā)生水合反應(yīng)。然而，堅(jiān)固的氧化鋁層可以保護(hù)鋁。將抑制劑或鈍化劑添加到電解質(zhì)中，可以防止即使出現(xiàn)損壞層的情況下(例如，由于生產(chǎn)錯(cuò)誤或 長期儲存)水合或腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。如果不采取這一步驟，當(dāng)水和鋁接觸時(shí)會形成大量的熱量和氣體(氫氣)，使得電容器受到很大的損壞，甚至在極端情況下還會爆炸。

　　即使在今天，一些組件規(guī)格仍然會聲明永遠(yuǎn)不應(yīng)使用水性電解電容器。但是，這項(xiàng)規(guī)格并沒有具體的定義，例如，最大允許含水量的限制。此外，加入添 加劑的負(fù)面影響不再存在了，使得這類電容器成為使用壽命長或負(fù)載系數(shù)高的應(yīng)用的理想選擇。具有較高含水量的電解質(zhì)常見于當(dāng)今的低ESR類型產(chǎn)品，其特點(diǎn)是具有高紋波電流耐受性能，在105℃下的使用壽命至少為1萬h。

4  特殊聚合物混合型

　　如果主要目標(biāo)不僅是要獲得理想的電容值，還要得到非常低的ESR，則液體電解質(zhì)可以部分或完全被導(dǎo)電聚合物代替。這些混合型產(chǎn)品完全通過了AECQ200認(rèn)證。它們將液體無水電解質(zhì)與固體聚合物的高導(dǎo)電性結(jié)合在一起。為此目的，液體電解質(zhì)也是部分基于聚合物的。氧化鋁層和相對的陰極箔被導(dǎo)電聚合物覆蓋著，隨后作為固態(tài)介質(zhì)存在于電容器中。

　　聚合物的高導(dǎo)電性顯著改善了氧化鋁對液體電解質(zhì)和陰極箔的接觸電阻。

　　結(jié)果是：非常低的ESR和實(shí)現(xiàn)高紋波電流的可能性。改善后的ESR減少了運(yùn)作期間的自熱，而固體聚合物減少了會干涸的液體組件的比例。這就是混合型電解電容器的基本使用壽命比水性低ESR標(biāo)準(zhǔn)型要長得多的原因。與標(biāo)準(zhǔn)型一樣，Arrhenius公式(-10℃溫度=2倍使用壽命)用作粗略估算各種溫度下的使用壽命。

　　在電路中設(shè)計(jì)混合電容器時(shí)特別重要的是，它們在使用壽命、頻率和溫度曲線方面的性能表現(xiàn)。由于使用新的電解質(zhì)，這些性能會與先前的產(chǎn)品型款完全不同。

　　    雖然ESR會隨著電解電容器在負(fù)溫度范圍內(nèi)工作以及其使用壽命的增加而上升，但是相對混合類型而言其表現(xiàn)絕對穩(wěn)定。此外，混合電容器沒有出現(xiàn)電容對頻率的嚴(yán)重依賴性，因?yàn)檫@里的頻率變化幾乎沒有超過100 kHz。

　　    另一方面，電解電容器在20 kHz時(shí)擊穿至少40%。在名義上，設(shè)計(jì)具有混合電容器的電路時(shí)，可以顯著降低總電容，同時(shí)仍可提高其效率。小型化也是可能的，因?yàn)榛旌霞夹g(shù)可以在更小的結(jié)構(gòu)形狀中實(shí)現(xiàn)更高的紋波電流性能。

5  固體聚合物具有更好的性能

　　 如果你希望完全不用液體部件，可以使用固體聚合物電解電容器。在這種情況下，液體組件會被固體導(dǎo)電聚合物代替，這樣可以獲得更好的ESR和紋波電流性能，同時(shí)消除了電解液干涸的可能性。

6  出現(xiàn)通風(fēng)開口和泄漏電解質(zhì)的電解電容器（如圖2）

　  使用壽命大致可以表示為-20℃溫度=10倍使用壽命。缺點(diǎn)是價(jià)格高、相當(dāng)高的泄漏電流和濕度敏感性。

　　  由于固體聚合物會吸收水分，因此這些組件以干燥包裝供貨，并且一旦打開就要滿足嚴(yán)格的處理要 求。這些產(chǎn)品類型僅在特殊情況下通過AEC-Q200認(rèn)證。此外，在實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀方面，這項(xiàng)技術(shù)總是需要 在電壓和電容之間作出取舍。由于固體電解質(zhì)的緣故，與電解電容器或混合型電容器相同的良好混合程度無法實(shí)現(xiàn)。

　　  此外，固體電解電容器中的殘余電流比混合類型中的更明顯，因?yàn)槿鄙僮杂裳跻杂糜陔娊橘|(zhì)中與生產(chǎn)相關(guān) 的缺陷的自我修復(fù)。混合型液體電解質(zhì)含有氧氣，能夠自我修復(fù)并將殘余電流保持在標(biāo)準(zhǔn)電解電容器的水平。另外，固體電解質(zhì)不能完全滲透蝕刻鋁箔的每個(gè)孔洞，這對可實(shí)現(xiàn)的電容數(shù)值具有負(fù)面影響，同時(shí)增加了漏電流。在頻率、溫度和使用壽命的穩(wěn)定性方面，固體聚合物電解電容器與混合電容器旗鼓相當(dāng)。

7  結(jié)論

　　隨著業(yè)界對ESR、結(jié)構(gòu)形狀、長期穩(wěn)定性和組件 價(jià)格的要求越來越高，水性電解電容器已成為必不可少的組件。如果技術(shù)方面無法滿足需求，聚合物電容 器可以提供替代方案。特別地，混合型產(chǎn)品代表了性能和價(jià)格之間的出色折衷，并受惠于供應(yīng)商的不斷進(jìn)步發(fā)展。它們?yōu)殡娐吩O(shè)計(jì)提供了兼具小型化和高效率 這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)的新選擇。

    （注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第30頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）