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界的形象一直不佳。不過，事過境遷，它們現在可以滿足現代電子產品的關鍵要求，并且以聚合物混合電容器的形式成為新的替代產品。

關鍵詞：電解電容器；水性；鋁

      在21世紀初，水性電解電容器通常使用錯誤的抑制劑或鈍化劑混合物來制造，導致電容器出現通風開口、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勢及其對現代電子設備的好處，便需要知曉關于這些組件的基本知識。

1  電解電容器如何工作？

　　與其他電容器技術相比，鋁電解電容器有一個主要優勢：具有吸引力的實惠價格，可確保在最小的空間內實現高電容值。此外，它對過電壓不敏感，這是數據手冊中浪涌電壓參數突出強調的事實。鋁電解電容器的缺點則是其阻抗較高，電解液會隨時間的推移而干涸，低溫下阻抗大幅增加以及其對工作溫度的依賴性。這是由規定的組件參數決定的，而組件參數又由所使用的電解質來決定。

2  電解電容器的設計

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

　　在設計電容器時，隨后的等效串聯電阻(ESR)值由縫合、所用電解質和隔離紙決定。

3  電解質的比較

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

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

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

　　相反地，與幾乎無水的傳統電解質相比，水性電解質可以實現明顯更高的紋波電流性能。此外，由于含水量高，電解質填充的材料成本顯著降低了。

　　然而，它們也有一個嚴重缺點，因為水在與鋁直接接觸時會發生水合反應。然而，堅固的氧化鋁層可以保護鋁。將抑制劑或鈍化劑添加到電解質中，可以防止即使出現損壞層的情況下(例如，由于生產錯誤或 長期儲存)水合或腐蝕反應的發生。如果不采取這一步驟，當水和鋁接觸時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，一些組件規格仍然會聲明永遠不應使用水性電解電容器。但是，這項規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 加劑的負面影響不再存在了，使得這類電容器成為使用壽命長或負載系數高的應用的理想選擇。具有較高含水量的電解質常見于當今的低ESR類型產品，其特點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，則液體電解質可以部分或完全被導電聚合物代替。這些混合型產品完全通過了AECQ200認證。它們將液體無水電解質與固體聚合物的高導電性結合在一起。為此目的，液體電解質也是部分基于聚合物的。氧化鋁層和相對的陰極箔被導電聚合物覆蓋著，隨后作為固態介質存在于電容器中。

　　聚合物的高導電性顯著改善了氧化鋁對液體電解質和陰極箔的接觸電阻。

　　結果是：非常低的ESR和實現高紋波電流的可能性。改善后的ESR減少了運作期間的自熱，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標準型要長得多的原因。與標準型一樣，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。

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

　　    雖然ESR會隨著電解電容器在負溫度范圍內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絕對穩定。此外，混合電容器沒有出現電容對頻率的嚴重依賴性，因為這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時擊穿至少40%。在名義上，設計具有混合電容器的電路時，可以顯著降低總電容，同時仍可提高其效率。小型化也是可能的，因為混合技術可以在更小的結構形狀中實現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，同時消除了電解液干涸的可能性。

6  出現通風開口和泄漏電解質的電解電容器（如圖2）

　  使用壽命大致可以表示為-20℃溫度=10倍使用壽命。缺點是價格高、相當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格的處理要 求。這些產品類型僅在特殊情況下通過AEC-Q200認證。此外，在實際結構形狀方面，這項技術總是需要 在電壓和電容之間作出取舍。由于固體電解質的緣故，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現。

　　  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，因為缺少自由氧以用于電介質中與生產相關 的缺陷的自我修復。混合型液體電解質含有氧氣，能夠自我修復并將殘余電流保持在標準電解電容器的水平。另外，固體電解質不能完全滲透蝕刻鋁箔的每個孔洞，這對可實現的電容數值具有負面影響，同時增加了漏電流。在頻率、溫度和使用壽命的穩定性方面，固體聚合物電解電容器與混合電容器旗鼓相當。

7  結論

　　隨著業界對ESR、結構形狀、長期穩定性和組件 價格的要求越來越高，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，混合型產品代表了性能和價格之間的出色折衷，并受惠于供應商的不斷進步發展。它們為電路設計提供了兼具小型化和高效率 這兩個優點的新選擇。

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