耐高温、耐高纹波铝电解电容器的研制

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摘要：通过优选材料，开发高温下劣化很小的电解液，配合特殊的铆接卷绕工艺，如负极增容贴片技术等，研制出耐高温耐高纹波的高可靠性铝电解电容器，其寿命可达到135℃2000小时！适合及满足高品质节能灯使用要求。

关键词：铝电解电容器；工作电解液；耐高温；耐高纹波；长寿命；可靠性

 Abstract: By optimizing materials, we have developed electrolyte  ith little degradation at high temperature. With the cooperation of the electrolyte and specific rivet winding method such as cathode compatibilization coating technical, an aluminium electrolytic capacitor with high reliability and high-temperature and high-ripple resistance is developed, of which the lifespan is up to 2000 hours at the temperature of 135℃。This kind of capacitors meets the applying requirements of high quality energy-saving lamp.

Key words: aluminium electrolytic capacitor working electrolyte high temperature resistance high ripple resistance long lifespan reliability

目前在国内为节能灯配套的铝电解电容器生产行业中，高压长寿命铝电解电容器在105℃下正常工作时间达到15000小时已经不是很困难的问题，但若是继续将温度上升到135℃，虽然按照行业内的“10度法则”计算的话应该是1875小时，但是实际上，在这个温度下试验这些产品远不能够达到这个时间。因为同样纹波电流下更高的环境温度其电容器内部的温升更大，材料性能劣化更快，可靠性将大大降低。对此，笔者做了大量的试验，通过优选原材料，开发性能优越的电解液，更新生产工艺，研制出能耐135℃高温、高可靠性且负荷寿命达到2000小时的产品。

一，原材料；

正极铝箔是铝电解电容的主要制作材料，其形成电压及比容高低与电解电容寿命有着直接的关系，形成电压越高，产品漏电越小，比容越低，体现在开片面积更大，单位发热量低，而且对于降低低频下的损耗从而减少温升有很大的益处。通过试验，我们认为要达到135℃要求，其正极铝箔形成电压必须高于590V，比容低于0.38μF/cm2。

负极铝箔主要是收集电流及于正极铝箔形成复合容量，其复合容量的计算公式为：

C=C+×C-/ C++C

式中C为复合容量，C+为正极容量，C-为负极容量。由此可见，选择高比容的负极铝箔有助于提升总容量及减少试验后的容量衰减。由于电解电容在放电时，其负极可能会承受正向电压，负极耐压选择按下式：

V≥C+×V充/ C++C

式中可以得出，负极形成电压越高，产品的可容许通过的纹波电流将更大，但负极形成电压提高，其比容会有所下降，因此我们选择形成电压为6V左右的40~50μm厚度的负极铝箔。

电解纸对于电容器的损耗影响较大，在耐压容许的情况下，选用密度低（060~0.70Kg/m3）厚度稍微厚一点的纸(80~90μm)，这里我们采用WM270-80型号的电解纸，既保证了耐压，且损耗也维持在一个比较低的水平，又能够吸附较多的电解液，保证了电容器高温度下的长寿命工作要求[1]。

胶粒方面，由于产品所要求的温度较高、寿命较长，由于国内普遍采用的是过氧化物硫化的三元乙丙胶，使用三元乙丙胶胶塞要达到135℃的要求, 会加入许多抗氧化物以及使用无机填充物来提高抗热性，无机填充物虽然耐温很高但寿命很短, 抗氧化剂可以耐高温但会影响过氧化物的硫化导致气密性和电气特性不好，使电容过早干枯失效，因此我们选择气密性更好的树脂硫化方式的丁基胶塞。

二，电解液

电解液是高温长寿命产品的关键。为保证产品的高温长寿命, 电解液应具有:极低的饱和蒸汽压减少挥发；极好的高温稳定性防止高温性能劣化；较高的闪火电压防止击穿；较高的氧化效率能及时修复受损的氧化膜来降低漏电流等。

溶剂方面，单用乙二醇我们认为已经可以满足135℃使用要求，但由于使用了气密性好的丁基胶，我们选择乙二醇以及其它多元醇类溶剂混合来降低饱和蒸汽压，更能有效的防止电容器高温工作时过早鼓底。

而且由于节能灯需要经常开关，体现在电容器上需要经常进行充放电，开关的瞬间电流冲击对于电解电容器的可靠性来说，是一个比较重要的因素，铝电解电容器的工作负极——电解液，是离子导电性质，因此在达到一个比较强的电场时，发生氧离子放电生成氧气，出现闪火发生，极易造成击穿现象，再加上铝箔生产加工过程中形成的毛刺及电解纸密度的不均匀等情况影响，更易发生。电容器外观表现为轻微起鼓或是防爆阀打开等不良。因此如何提高电解液的闪火电压及迅速修补氧化膜缺陷的能力成为解决此问题的首要办法，因此：

溶质方面使用含有长碳链羧酸铵盐来配制，随着其碳链的增长其闪火电压也越高。如使用带有支链的长碳链羧酸铵盐溶液，不仅由于其本身既为液态增加了在乙二醇中的溶解度，从而提升了电导率，而且由于拥有更长的碳链，因此其闪火电压也处于一个较高的水平。但电解液完全使用这类物质作为溶质则成本将会太贵，经过工艺试验验证后，我们还优选了一些传统的直链式二羧酸铵盐为第二溶质作为补充，不仅降低了成本，而且也能满足高温长寿命的要求。

高压长寿命产品用电解液需要有着高的闪火电压及电导率，但这两个因素通常是相互制约的，溶质含量的增加必然降低闪火电压。因此笔者在电解液中适当加入一些含有多个极性基团的高分子聚合物，如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡络烷酮等,由于这类高聚物一个分子中就有多个带负电荷的极性基团, 与带正电荷的阳极箔静电引力大, 加之高聚物分子量大, 色散力大, 总的吸附能大, 解吸不容易，能够牢固地吸附在阳极箔表面, 保护了氧化膜，也提高了闪火电压[2]。

铝电解电容器在进行氧化还原反应时，其负极无可避免的会产生氢气，因此采用了带硝基的苯环类物质使用做为吸氢剂，如对硝基苯甲酸等。但此类去极化剂的过多使用容易提高电子发射的频率使得闪火容易发生[3]，因此我们选用两种或两种以上的消氢剂复合使用，达到比较好的吸收氢气效果,减少了其老化起鼓现象及避免了用量过多影响闪火电压的稳定。

目前较多厂家作为添加剂用的次亚磷酸铵，经过笔者大量的工艺试验，配合三元乙丙胶材质的胶粒使用时效果比较好，但是配合丁基胶胶粒时使用的话，在老化过程中电压稍高就会产生导针圆弧部位电解纸发黑的情况，而且伴随着还有产品鼓底现象，笔者针对此现象并做了大量工艺试验的情况后，选择8-羟基喹啉来代替次亚磷酸铵，由于8-羟基喹啉能够和电解液中溶解下来的铝离子进行络合，降低了产品的漏电流，取得了不错的效果，且产品在老化时未发生电解纸发黑情况。

三，工艺

节能灯用电解电容器容易发生开关击穿，除了对切割和铆卷时的毛刺和箔灰严格管控外,另由于在电容器施加高纹波电流时或者短时间电压差和大的充放电时，因为负极导针铆接处铝梗上的电容量非常低，很容易发生负极打火击穿，因此我们采取了在负极上垫上一小块同样比容的负极铝箔来对其进行增容处理，提高了产品的可靠性[4]。

产品需要承受高温度下长时间工作，其密封性能很重要，采用硬度很高（邵氏硬度82以上）的丁基胶不需要束腰很深即可达到很好的密封性能；控制芯子含浸后的甩干及暴露于空气中的时间，使其保持对电解液相对较多的吸附量；对组立机上芯子振动盘上方加装盖子，在生产的时候阻挡空气与芯子之间的回流，避免吸收空气中的水分及杂质污染；同时在组立过程中将芯子与胶粒之间的间隙控制在0.2~0.4mm之间，有利于产品内气体在封口前瞬间排出等。

为了提高产品的可靠性，在老化时较原有产品适当提高老化电压10~20V电压，并将高温时间从原来的7小时延长至9小时，不仅有效的降低了产品的漏电流也达到了一个早期筛选剔除不良品的作用。

四，试验结果

通过优选材料，研究高温下性能劣化小的电解液及使用密封性能优异的胶塞，使用一些特殊工艺后研制成的铝电解电容器具有耐高温度、耐高纹波及高可靠性，将产品置于135℃环境温度下施加直流偏置电压后叠加120HZ/70mA纹波电流后，其寿命可达2000小时。其试验特性参数见下表：

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

由于产品所处环境温度高,电容器在回路中有大纹波电流情况下,其芯子内部温升经测量可达15℃以上！如果试制的产品所用的正极比容还可以更低，那么电容器的温升将更加的小。若开发出高温稳定性更好的电解液，密封性能更好的胶粒材料，使得铝电解电容器拥有着更低的阻抗，更好的散热设计等，那么铝电解电容器应还能承受更高的温度，更长的寿命。

参考文献：

[1]永田伊左也.铝箔干式电解电容器 [M]. 日本蓄电器工业出版社,1983.

[2]王偕恕,蔡士军.多极性基高聚物对铝电解电容器工作电解液性能的影响.电子元件与材料,1996.

[3]孙伟利,许恒生,王丽莉.工作电解液中影响闪火电压的因素.电子元件与材料,1998.

[4]朱荻,丰骏,姜汉兵,朱祥.电解电容器负极引出部位发生跳火的理论研究.电子元件与材料,2009.

作者简介：卜偌华，湖南常德人，从事高温高压铝电解电容器及其电解液研发工作。

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