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耐高紋波電流電解電容的研究分析
通過優(yōu)選材料，開發(fā)高溫下劣化很小的電解液，配合特殊的鉚接卷繞工藝，如負(fù)極增容貼片技術(shù)等，研制出耐高溫耐高紋波的高可靠性鋁電解電容器，其壽命可達(dá)到135℃2000小時(shí)!適合及滿足高品質(zhì)節(jié)能燈使用要求。
一，原材料;
正極鋁箔是鋁電解電容的主要制作材料，其形成電壓及比容高低與電解電容壽命有著直接的關(guān)系，形成電壓越高，產(chǎn)品漏電越小，比容越低，體現(xiàn)在開片面積更大，單位發(fā)熱量低，而且對(duì)于降低低頻下的損耗從而減少溫升有很大的益處。通過試驗(yàn)，我們認(rèn)為要達(dá)到135℃要求，其正極鋁箔形成電壓必須高于590V，比容低于0.38μF/cm2。
負(fù)極鋁箔主要是收集電流及于正極鋁箔形成復(fù)合容量，其復(fù)合容量的計(jì)算公式為：
C=C+×C-/ C++C
式中C為復(fù)合容量，C+為正極容量，C-為負(fù)極容量。由此可見，選擇高比容的負(fù)極鋁箔有助于提升總?cè)萘考皽p少試驗(yàn)后的容量衰減。由于電解電容在放電時(shí)，其負(fù)極可能會(huì)承受正向電壓，負(fù)極耐壓選擇按下式：
V≥C+×V充/ C++C
式中可以得出，負(fù)極形成電壓越高，產(chǎn)品的可容許通過的紋波電流將更大，但負(fù)極形成電壓提高，其比容會(huì)有所下降，因此我們選擇形成電壓為6V左右的40~50μm厚度的負(fù)極鋁箔。
電解紙對(duì)于電容器的損耗影響較大，在耐壓容許的情況下，選用密度低(060~0.70Kg/m3)厚度稍微厚一點(diǎn)的紙(80~90μm)，這里我們采用WM270-80型號(hào)的電解紙，既保證了耐壓，且損耗也維持在一個(gè)比較低的水平，又能夠吸附較多的電解液，保證了電容器高溫度下的長(zhǎng)壽命工作要求[1]。
膠粒方面，由于產(chǎn)品所要求的溫度較高、壽命較長(zhǎng)，由于國(guó)內(nèi)普遍采用的是過氧化物硫化的三元乙丙膠，使用三元乙丙膠膠塞要達(dá)到135℃的要求, 會(huì)加入許多抗氧化物以及使用無機(jī)填充物來提高抗熱性，無機(jī)填充物雖然耐溫很高但壽命很短, 抗氧化劑可以耐高溫但會(huì)影響過氧化物的硫化導(dǎo)致氣密性和電氣特性不好，使電容過早干枯失效，因此我們選擇氣密性更好的樹脂硫化方式的丁基膠塞。
二，電解液
電解液是高溫長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的關(guān)鍵。為保證產(chǎn)品的高溫長(zhǎng)壽命, 電解液應(yīng)具有:極低的飽和蒸汽壓減少揮發(fā);極好的高溫穩(wěn)定性防止高溫性能劣化;較高的閃火電壓防止擊穿;較高的氧化效率能及時(shí)修復(fù)受損的氧化膜來降低漏電流等。
溶劑方面，單用乙二醇我們認(rèn)為已經(jīng)可以滿足135℃使用要求，但由于使用了氣密性好的丁基膠，我們選擇乙二醇以及其它多元醇類溶劑混合來降低飽和蒸汽壓，更能有效的防止電容器高溫工作時(shí)過早鼓底。
而且由于節(jié)能燈需要經(jīng)常開關(guān)，體現(xiàn)在電容器上需要經(jīng)常進(jìn)行充放電，開關(guān)的瞬間電流沖擊對(duì)于電解電容器的可靠性來說，是一個(gè)比較重要的因素，鋁電解電容器的工作負(fù)極——電解液，是離子導(dǎo)電性質(zhì)，因此在達(dá)到一個(gè)比較強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)，發(fā)生氧離子放電生成氧氣，出現(xiàn)閃火發(fā)生，極易造成擊穿現(xiàn)象，再加上鋁箔生產(chǎn)加工過程中形成的毛刺及電解紙密度的不均勻等情況影響，更易發(fā)生。電容器外觀表現(xiàn)為輕微起鼓或是防爆閥打開等不良。因此如何提高電解液的閃火電壓及迅速修補(bǔ)氧化膜缺陷的能力成為解決此問題的首要辦法，因此：
溶質(zhì)方面使用含有長(zhǎng)碳鏈羧酸銨鹽來配制，隨著其碳鏈的增長(zhǎng)其閃火電壓也越高。如使用帶有支鏈的長(zhǎng)碳鏈羧酸銨鹽溶液，不僅由于其本身既為液態(tài)增加了在乙二醇中的溶解度，從而提升了電導(dǎo)率，而且由于擁有更長(zhǎng)的碳鏈，因此其閃火電壓也處于一個(gè)較高的水平。但電解液完全使用這類物質(zhì)作為溶質(zhì)則成本將會(huì)太貴，經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證后，我們還優(yōu)選了一些傳統(tǒng)的直鏈?zhǔn)蕉人徜@鹽為第二溶質(zhì)作為補(bǔ)充，不僅降低了成本，而且也能滿足高溫長(zhǎng)壽命的要求。
高壓長(zhǎng)壽命產(chǎn)品用電解液需要有著高的閃火電壓及電導(dǎo)率，但這兩個(gè)因素通常是相互制約的，溶質(zhì)含量的增加必然降低閃火電壓。因此筆者在電解液中適當(dāng)加入一些含有多個(gè)極性基團(tuán)的高分子聚合物，如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡絡(luò)烷酮等,由于這類高聚物一個(gè)分子中就有多個(gè)帶負(fù)電荷的極性基團(tuán), 與帶正電荷的陽(yáng)極箔靜電引力大, 加之高聚物分子量大, 色散力大, 總的吸附能大, 解吸不容易，能夠牢固地吸附在陽(yáng)極箔表面, 保護(hù)了氧化膜，也提高了閃火電壓[2]。
鋁電解電容器在進(jìn)行氧化還原反應(yīng)時(shí)，其負(fù)極無可避免的會(huì)產(chǎn)生氫氣，因此采用了帶硝基的苯環(huán)類物質(zhì)使用做為吸氫劑，如對(duì)硝基苯甲酸等。但此類去極化劑的過多使用容易提高電子發(fā)射的頻率使得閃火容易發(fā)生[3]，因此我們選用兩種或兩種以上的消氫劑復(fù)合使用，達(dá)到比較好的吸收氫氣效果,減少了其老化起鼓現(xiàn)象及避免了用量過多影響閃火電壓的穩(wěn)定。
目前較多廠家作為添加劑用的次亞磷酸銨，經(jīng)過筆者大量的工藝試驗(yàn)，配合三元乙丙膠材質(zhì)的膠粒使用時(shí)效果比較好，但是配合丁基膠膠粒時(shí)使用的話，在老化過程中電壓稍高就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)針圓弧部位電解紙發(fā)黑的情況，而且伴隨著還有產(chǎn)品鼓底現(xiàn)象，筆者針對(duì)此現(xiàn)象并做了大量工藝試驗(yàn)的情況后，選擇8-羥基喹啉來代替次亞磷酸銨，由于8-羥基喹啉能夠和電解液中溶解下來的鋁離子進(jìn)行絡(luò)合，降低了產(chǎn)品的漏電流，取得了不錯(cuò)的效果，且產(chǎn)品在老化時(shí)未發(fā)生電解紙發(fā)黑情況。
三，工藝
節(jié)能燈用電解電容器容易發(fā)生開關(guān)擊穿，除了對(duì)切割和鉚卷時(shí)的毛刺和箔灰嚴(yán)格管控外,另由于在電容器施加高紋波電流時(shí)或者短時(shí)間電壓差和大的充放電時(shí)，因?yàn)樨?fù)極導(dǎo)針鉚接處鋁梗上的電容量非常低，很容易發(fā)生負(fù)極打火擊穿，因此我們采取了在負(fù)極上墊上一小塊同樣比容的負(fù)極鋁箔來對(duì)其進(jìn)行增容處理，提高了產(chǎn)品的可靠性[4]。
產(chǎn)品需要承受高溫度下長(zhǎng)時(shí)間工作，其密封性能很重要，采用硬度很高(邵氏硬度82以上)的丁基膠不需要束腰很深即可達(dá)到很好的密封性能;控制芯子含浸后的甩干及暴露于空氣中的時(shí)間，使其保持對(duì)電解液相對(duì)較多的吸附量;對(duì)組立機(jī)上芯子振動(dòng)盤上方加裝蓋子，在生產(chǎn)的時(shí)候阻擋空氣與芯子之間的回流，避免吸收空氣中的水分及雜質(zhì)污染;同時(shí)在組立過程中將芯子與膠粒之間的間隙控制在0.2~0.4mm之間，有利于產(chǎn)品內(nèi)氣體在封口前瞬間排出等。
為了提高產(chǎn)品的可靠性，在老化時(shí)較原有產(chǎn)品適當(dāng)提高老化電壓10~20V電壓，并將高溫時(shí)間從原來的7小時(shí)延長(zhǎng)至9小時(shí)，不僅有效的降低了產(chǎn)品的漏電流也達(dá)到了一個(gè)早期篩選剔除不良品的作用。
四，試驗(yàn)結(jié)果
通過優(yōu)選材料，研究高溫下性能劣化小的電解液及使用密封性能優(yōu)異的膠塞，使用一些特殊工藝后研制成的鋁電解電容器具有耐高溫度、耐高紋波及高可靠性，將產(chǎn)品置于135℃環(huán)境溫度下施加直流偏置電壓后疊加120HZ/70mA紋波電流后，其壽命可達(dá)2000小時(shí)。由于產(chǎn)品所處環(huán)境溫度高,電容器在回路中有大紋波電流情況下,其芯子內(nèi)部溫升經(jīng)測(cè)量可達(dá)15℃以上!如果試制的產(chǎn)品所用的正極比容還可以更低，那么電容器的溫升將更加的小。若開發(fā)出高溫穩(wěn)定性更好的電解液，密封性能更好的膠粒材料，使得鋁電解電容器擁有著更低的阻抗，更好的散熱設(shè)計(jì)等，那么鋁電解電容器應(yīng)還能承受更高的溫度，更長(zhǎng)的壽命。
