高比容铝电解电容器关键技术研究

摘 要：因为铝电解电容器存在体积小、成本低但存储电量高等优势，所以被广泛应用于各种电子设备中，而近几年，随着经济的发展，人们对于铝电解电容器的成本、阻抗、比容等要求也随之提高，这些都对铝电容的性能提出了极大的考验。本文将对提高铝电容的技术进行分析，寻找铝电容的发展方向。

关键词：铝电容；高比容；技术

随着消费电子行业的兴起，铝电解电容器同样得到了长足的发展，并逐渐呈现出节能、变频、新能源等特点，这种迅猛的发展，对新材料的需求也愈加迫切。

现阶段，电子产品呈现出轻薄化、小型化、组装高密度化等特点，为适应这种趋势，铝电解电容器必须尽量缩小体积、延长寿命、增加容积。为适应电子整机不断向小型化、高密度组装化方向迅速发展，铝电容必须进一步缩小体积、提高比容、延长寿命、高频低阻抗。本文将从铝电容的阳极箔和工作电解液方面探讨铝电容的大电容实现方法。

一、阳极箔技术的研究

铝电解电容器分为阴阳极铝箔、浸以饱和电解质糊体的纸张、铝壳及胶盖，若铝电容的总容量为 C，阳极的容量为 CA，负极的容量为Cc，则 1/C = 1/CA+ 1 / Cc。因为阳极铝箔表面氧化膜的厚度大于阴极，所以阳极箔和电解质糊体组成的电容CA远小于阴极箔和电解质糊体构成的电容Cc，所以，要想提高铝电解电容器的电容量首先应当增大阳极箔的比表面积。

铝电解电容器的容量：C = ε0εrS/d，由公式得知，要增大阳极箔的比表面积的方法有：（1）提高电介质的相对介电常数；（2）扩大阳极箔表面积；（3）将电介质层的厚度d减小，而 d =KVf，K是单位阳极氧化电压的氧化膜厚度，是材料自身的性质，为常数。增大表面积主要靠电化学腐蚀扩面，但因为这个过程存在诸多因素，受到物理极限的限制，所以倍率的增长速度缓慢。和常规铝阳极氧化膜比较，阳极氧化膜中，用阀金属氧化物形成的高阶电相掺杂阀金属的氧化膜，有可能会使铝电容得到大幅度提升。目前多是采用 sol-gel 法对铁电材料复合铝电极箔进行制备，用水解沉积法和电化学沉积法对阀金属氧化物复合铝电极箔进行制备。

1、sol-gel法

Sol-gel法拥有以下优势：即可实现低温处理、可以高效的为衬底材料提供薄膜特性、能够对具有较大面积和复杂表面形貌的衬底材料进行涂覆。

Wannabee 、西安交通大学徐友龙、杜显锋等、上海交通大学王银华等都利用sol-gel法对复合材料的电容性进行了实验，这一系列的研究都实现了复合材料的高电容。

但是利用sol-gel法处理的铝电极箔需要经过长时间的干燥以除去表面的溶剂，并反复浸渍、干燥数周才能取得较好的效果，且由于部分有机体系与铝基体表面存在浸润性问题，故而无法对成膜的均匀性有保证。

2、水解沉积法

水解沉积法是利用焊有阀金属的盐溶液，高温处理和水解沉积，将Al2O3和阀金属氧化物进行复合，阳极氧化后，在铝电极箔表面生成高介电常数的复合氧化膜的技术。

由于水解沉积法的工艺实现方案与工业生产线兼容，所以极力推广。

3、电化学沉积法

电沉积技术是在外加电压下，利用电解质中的阴离子在阴极可以还原为电子的原理，将原有电解质中的离子还原为原子使之形成沉积层。这种工艺因为简单、适合大规模生产、成本低、易于控制薄膜的厚度和结构，所以与其他方法相比在薄膜制备领域有广阔的发展前途。

二、工作电解液的研究

工作电解液是电容的实际阴极，能够对铝阳极氧化膜进行修补，并提供氧离子，直接关系到产品质量。要研究大容量超高压铝电容，电溶液的配置是最关键的技术，工作电解液的化学性质应当稳定，并且拥有较高的闪火电压、较高的氧化效率，比较小的电阻率等性能。为防止对铝箔和密封材料的腐蚀，应当保证pH 值接近中性。

铝电容工作中的电解液，主要由溶剂、溶质、添加剂共同组成，溶质的主要功能是为电解液导电并在氧化过程中提供离子。溶剂在离子溶剂化的过程中起到重要作用，同时决定了电容器工作温度的范围及碘溶液的电导率，直接影响到闪火电压。添加剂的作用是改善电解液的某些性能，虽然用量极少， 但对增强电容器电性能的影响却极大。

在铝电容中常用的电解液成分主要有以下几种：

（1）溶剂：含氧弱酸、硼酸、五硼酸铵等无机盐和有机酸。有机酸氧化能力比较强，但离解度较低，不容易和有机胺中和，电解液的含水量比较高，闪火电压低。有机酸不含硼、介电性好，用量比较少，电离度高，其酸性较无机酸低，不容易氧化铝氧化膜，但闪火电压较低。

（2）溶质：将硼酸改成五硼酸铵后，电解液中的含水量减少，闪火电压得到提高。有机酸有很多，关于溶质要根据具体的电压来选择。

（3）溶剂：碱，包括无机碱（氨水）和有机胺。和氨水比较，有机胺的含水量非常少，碱性明显增强。

（4）溶质：在实践中，溶质常常为有机胺，低压电容器中用的胺分子较小，中高压电容器中用的胺分子较大。

（5）普通铝电容使用液体电解质， 存在着液体电解质的等效串联电阻（ESR）大、难以适应信息技术向高频化发展趋势、高频下阻抗值大、性能受温度的影响大、在高叵滦阅芗不稳定、电阻率随温度的下降急剧上升，限制了电容器在极端温度下的使用等缺点。以上缺点导致其性能与应用范围受到了限制。

利用导电聚合物作为实际阴极的固体铝电容不仅克服了上述缺点，还效延长了电容的寿命提高了其性能。首先因为导电聚合物为固体，不必担心会出现工作电解液泄露或干涸，提高了铝电容的工作寿命；其次因为导电聚合物为电子型导体，其电导率远大于离子型导体工作电解液的电导率，因此可极大改善电容的阻抗频率特性，使之具有高频低阻抗的特点。

目前主要有聚吡咯型（PPY）、7，7，8，8--四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ） 复盐型、导电聚苯胺型和聚（3，，4--次乙二氧基噻吩）型（PEDOT）这四类固体铝电解电容器。前两种已经实现商品化，，后两种还处于开发研究阶段，而其中PEDOT最具发展潜力。

结束语：实践中，铝电解电容器技术得到了长足发展，尤其是片式化技术、高比熔电极箔及电解质固体化技术，明显推动了铝电解电容器技术的发展。本文从电极箔和电解液方面分析了实现铝电容大电容的相关技术上的可能，寻找大电容铝电容的实现方法，期待与专业人士的共探讨。

参考文献：

[1]任志东. 15年成就光荣与梦想――记“高可靠、超小型化钽电解电容器用关键材料生产技术及应用”项目[J]. 中国科技奖励，2013，01：78.

[2]吴玉程，郑红梅，刘家琴，崔接武，王岩，秦永强，洪雨，刘勉诚. 提高铝电解电容器用阳极箔比表面积的研究进展[J]. 功能材料与器件学报，2013，02：79-87.

[3]拜新良，殷建卫，张士霞. 化成箔节能研究与发展方向[J]. 轻工科技，2013，06：58-59.