工作電解液電阻率對電容器電性能的影響

李 雁 楊紹艷

（長春維鴻東光電子器材有限公司 吉林 長春 130012）

鉭電解電容器廣泛應(yīng)用在軍事通訊、雷達(dá)、導(dǎo)彈、航天、航空、石油等軍用設(shè)備及高科技領(lǐng)域中。因此，它不僅需要有優(yōu)良的電性能，還要求有較高的可靠性。 在鉭電解電容器的設(shè)計制造中，選擇合適的電解液，不僅能獲得優(yōu)良的電性能，而且能保證產(chǎn)品的可靠性。

設(shè)計工程師是按照所需電容器的各項參數(shù)來設(shè)計制造電容器的。選擇合適工作電解液， 會使電容器具有較好的溫度特性和頻率特性，常溫下具有更小的損耗和等效串聯(lián)電阻，而且工作電解液對電容器的可靠性和壽命有很大影響。下面我們將詳細(xì)討論怎樣根據(jù)電容器的工作電壓及所需電參數(shù)來選擇電解液，以及電解液的電阻率對電容器的影響。

1 設(shè)計分析和建立

銀外殼的液體電解質(zhì)鉭電容器是以燒結(jié)多孔鉭為陽極，再用電化學(xué)方法，在鉭金屬表面生成致密的Ta2O5做為絕緣介質(zhì)，以含酸工作電解液為陰極，按一定的方法密封在銀殼內(nèi)組成了電容器。因此，它的電性能與使用的工作電解液的性質(zhì)有很大關(guān)系。

圖1

圖2

圖3

圖1 顯示了這種電容器結(jié)構(gòu)組成；圖2 為液體電解質(zhì)鉭電容器的照片。 這個電容器的尺寸為：直徑為8mm，高為22mm；圖3 顯示了電容器分解后各部分的圖片。

我們知道，在鉭電解電容器中，因為陽極表面賦能了電介質(zhì)，因此電容器能承受一定的擊穿電壓。 因此，電解電容器的工作電壓依賴于陽極上覆蓋的絕緣介質(zhì)膜的厚度。 在鉭電解電容器中，用電化學(xué)方式直接賦能在陽極表面的絕緣介質(zhì)是Ta2O5， 絕緣介質(zhì)膜的厚度與絕緣介質(zhì)膜的擊穿電壓有著直接的關(guān)系，而且絕緣介質(zhì)膜的厚度與氧化膜形成過程中所加的賦能電壓的大小大致成比例。因此，用這種方法，我們可以生產(chǎn)出任何厚度的介質(zhì)膜。 為了得到最大電容量，通常生產(chǎn)的介質(zhì)膜盡量薄。但為了保證電容器的可靠性，我們在電容器的生產(chǎn)中，設(shè)計師設(shè)計的賦能電壓通常為電容器工作電壓的1.5～2 倍， 即Vf/Vw=1.5～2，而電容器的工作電解液的擊穿電壓達(dá)到1.3～1.4 倍即可。有時為了得到較低的漏電流，或者電容器使用在較高的溫度環(huán)境下，介質(zhì)膜厚度會設(shè)計得較厚，但是這樣做的同時會減少容量。因此，在電容器設(shè)計中，電容器的設(shè)計賦能電壓，決定了絕緣介質(zhì)膜的厚度，而絕緣介質(zhì)膜的厚度與擊穿電壓有很大關(guān)系，與電容器的使用可靠性有很大關(guān)系。

另一方面，在電容器的設(shè)計制造中，影響電解電容器的介質(zhì)擊穿電壓的還有工作電解液的電阻率。經(jīng)測試，我們建立了如圖4 曲線。如圖所示：工作電解液的擊穿電壓與工作電解液的電阻率之間呈現(xiàn)出拋物線的曲線關(guān)系。 這種曲線關(guān)系與陽極絕緣介質(zhì)的厚度、賦能電壓的大小、電解液的成份以及電解液的溫度均無關(guān)。

圖4

圖5

根據(jù)工作電解液的電阻率和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系，我們建立了擊穿電壓隨工作電解液的電阻率的半對數(shù)曲線圖，為一條直線。 如圖5 所示。在現(xiàn)生產(chǎn)中，我們可以根據(jù)這條曲線，來調(diào)整電解電容器的工作電解液的電阻率，以適應(yīng)電解電容器所需的擊穿電壓值。

使用上述圖線，我們對鉭電解電容器工作電壓為160V-100μF 的產(chǎn)品進(jìn)行了實驗試制。 先將電容器用鉭粉壓制成圓柱形鉭塊。 鉭塊尺寸為：Φ10×21mm，壓塊重：15200mg，經(jīng)2000℃燒制30 分鐘后，用電化學(xué)方法在鉭表面生成氧化膜， 然后按照擊穿電壓是工作電壓的1.35倍來計算，即：Vb=1.35Vw（Vb 為擊穿電壓，Vw 為工作電壓）來進(jìn)行計算得出：擊穿電壓Vb=216V，再從圖5 曲線查出該電壓下的工作電解液的電阻率約為8Ω.cm，電導(dǎo)率約為125mS。

我們先配制了硫酸的重量比為35%～40%的硫酸-硅溶膠溶液，再用乙二醇甲醚調(diào)整工作電解液的電導(dǎo)率，使工作電解液的電導(dǎo)率達(dá)到所需要的值，然后再計算出乙二醇甲醚的用量，這樣就配制好了工作電壓為160V 的電容器產(chǎn)品的工作電解液。 表1 記錄了一組實驗數(shù)據(jù)，其浸漬電解液按重量比為：硫酸30%，乙二醇甲醚為20%，其余是離子水。 其裝配電解液按重量比為：硫酸濃度31%～35%，乙二醇甲醚濃度為19%～23%，其余為硅溶膠。待產(chǎn)品裝配完成后，經(jīng)老煉、篩選等各項試驗測試，產(chǎn)品均達(dá)到要求。

表1 液體電解質(zhì)鉭電容器160V-100μF 產(chǎn)品三參數(shù)測試記錄

2 結(jié)果與討論

由上述表明，如果想要獲得較高的擊穿電壓，則需要使用電阻率較高的工作電解液。 在電容器的實際生產(chǎn)中，工作電壓一定要低于絕緣介質(zhì)的擊穿電壓，這樣才能保證電容器的可靠性。在鉭電容器中，一般來說擊穿電壓至少是工作電壓的1.2 倍，即：Vb=1.2Vw，在這里Vb是擊穿電壓，Vw 是工作電壓。如果在實際中要減少電容器工作電壓下的漏電流或增加產(chǎn)品的可靠性，只要增大Vb/Vw 的比例。 一旦這個比例固定了，就能測算出擊穿電壓值，再根據(jù)圖5 曲線就能夠找到所用工作電解液的最低電阻率，再來尋找與之相適應(yīng)的工作電解液。 尤其在工作電壓較高時，單純的硫酸電解液很難滿足電壓的要求，因此，據(jù)此圖線可調(diào)整電解液的擊穿電壓，以滿足要求。另外，我們知道電容器的ESR 主要來自于電解液，因此，當(dāng)電容器需要較小的ESR 時，我們也可以據(jù)此找到既滿足擊穿電壓的要求，又能獲得較高的電導(dǎo)率的電解液。綜上所述，工作電解液的電阻率與擊穿電壓的關(guān)系曲線，對電解液的研究和電容器的現(xiàn)生產(chǎn)都有著較大的意義。

另外，要提高電容器在使用中的可靠性，只是單純提高賦能電壓來增加氧化膜厚度是不夠的，還應(yīng)保證電容器工作電解液的電阻率在允許范圍內(nèi)。

在電容器的設(shè)計中，為提高電容器的可靠性或某些電性能，設(shè)計師通常會將電容器的賦能電壓設(shè)計很高，而很容易忽略相適應(yīng)的工作電解液電阻率的大小，尤其中、高壓產(chǎn)品和高溫工作的電容器，賦能電壓和電解液的電阻率的配合設(shè)計尤為重要, 單純提高賦能電壓設(shè)計，有時是毫無意義的。國外的液體鉭電容的賦能電壓設(shè)計值是工作電壓的1.25 倍，國內(nèi)通常在1.5～2 倍，甚至更高。

但是，如果選用較高電阻率（即較低電導(dǎo)率）的電解液，雖然提高了擊穿電壓，同時它也增大了電容器的等效串聯(lián)電阻，增大了損耗。正因為這個原因， 盡量選擇能允許的最高電導(dǎo)率的工作電解液是重要的，尤其是所設(shè)計電容器的損耗和等效串聯(lián)電阻Res 要求較低時。

由于當(dāng)溫度增加時電導(dǎo)率通常是升高的，因此，需要考慮電容器在使用溫度下電解液的電導(dǎo)率值。

在電容器的設(shè)計中， 通常低壓鉭電解電容器使用的工作電解液是重量經(jīng)為38%的硫酸溶液，其常溫下的電阻率大約為：850ms,其擊穿電壓大約為120V, 適用的工作電壓在63V 以下，85℃時的電導(dǎo)率大約在1500ms，-50℃時的電導(dǎo)率大約在50ms。 這種電解液在常用工作電解液中，它的電導(dǎo)率是最高的，因此，用它做工作電解液，能獲得較低的損耗，并且在低于-55℃時仍能保持液體狀態(tài)，這種材料最困難的是密封，現(xiàn)電容器生產(chǎn)廠已基本使用了硅溶膠代替去離子水， 這種工作電解液不分層，損耗小，硅溶膠與硫酸穩(wěn)定共存，溫度特性好，且易于密封。

另外，對于高于100V 工作電壓的電容器，單純硫酸的工作電解液的電導(dǎo)率太高了，會降低電解液的擊穿電壓。 如果減少酸濃度來降低電導(dǎo)，則該電解液的凝固點會升高，會使電容器的低溫工作性能劣化。 因此，對于工作電壓超過100V 的電容器，不能使用這種電解液，而應(yīng)提高其電阻。 因此，對于工作電壓較高的電容器，可根據(jù)曲線圖5找到對應(yīng)的工作電解液的電阻率， 再通過合適的方法調(diào)整電阻率，使之達(dá)到所需數(shù)值。目前，各廠家采用的方法為：在含有硫酸的工作電解液中加入乙二醇甲醚或乙二醇提高其電阻率，使電解液的電阻率達(dá)到我們需要的數(shù)值。有國外報到，工作電壓較高（160V 以上）的鉭電容是先配制乙二醇的水溶液，然后再用硫酸調(diào)整電導(dǎo)率配制而成。

3 結(jié)論

電容器的的介質(zhì)膜的擊穿電壓不僅與氧化膜的厚度有關(guān)，還與工作電解液的電阻率之間有一定的關(guān)系。 即：電容器介質(zhì)膜的擊穿電壓與電容器的工作電解液的電阻率之間遵循一種函數(shù)關(guān)系。這種關(guān)系不僅與陽極絕緣介質(zhì)的厚度無關(guān)，而且與電解液成份、溫度等無關(guān)。 即:不管絕緣介質(zhì)膜有多厚，不管電解液的成份是什么，如果選用的工作電解液的電阻率不夠，則陽極介質(zhì)膜仍會被擊穿。

因此，在電容器的設(shè)計中，對于不同工作電壓的電容器，應(yīng)選擇不同電阻率的工作電解液，以保證電容器絕緣介質(zhì)膜的擊穿電壓在高于其工作電壓的合適范圍內(nèi)， 并同時具有較低的損耗和等效串聯(lián)電阻Res。對于較高電壓的電容器可加入某種化學(xué)物質(zhì)，通過調(diào)整電解液的電阻率找到合適的工作電解液。

同時工作電解液還應(yīng)滿足下面的條件：

1）工作電解液與電容器其它電極材料必須保持電化學(xué)穩(wěn)定和共存，且電解液還應(yīng)該包含足量的H+離子，以保證做為電容器陰極的需要。

2）工作電解液的沸點和冰點分別遠(yuǎn)高于工作溫度的上限值和遠(yuǎn)低于工作溫度的下限值，即在電容器的工作溫度范圍內(nèi)保持液體狀態(tài)。

3）工作電解液的粘度適中、浸潤性較好。

4）在保證電容器擊穿電壓的前提下，電解液的電導(dǎo)率盡量高。

［1］陳國光,曹婉真.電解電容器[M].西安:西安交通大學(xué),2006:66-72,193-199.

［2］劉仲娥，桂娟，陳曉靜，宋金榮.電解質(zhì)對液體鉭電容器高頻電性能影響的研究[J].ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS Oct, 2003.

［3］劉仲娥,宋金榮,陳曉靜,陸勝,王耀東.液體鉭電解電容器用電解質(zhì)及其制備方法[A].CN 1889212A 2007-01-03.

［4］郭鶴桐,覃奇賢.電化學(xué)教程[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000:115-164.