铝电解电容器的研究进展铝电解电容器诞生至今有一百多年的历史。随着电子技术的迅猛发展,电子整机的组装密度和集成化程度进一步增大,对铝电解电容器提出了新的要求。铝电解电容器正向着小体积、大容量、低成本、篼频低阻抗方向发展,其生产技术有了长足的进步,产品格局也在不断变化之中m.近几年,铝电解电容器技术的发展主要表现在片式化技术、高频低阻抗技术和高比容电极箔制造技术三个方面。
1.1片式化技术在各种片式化电子元器件中,铝电解电容器难度最大。这是因为铝电解电容器以阳、阴极铝箔和衬垫材料的多圈卷绕形成电容器芯子为基本结构,实现片式化必须以小圆柱形为基础考虑。片式铝电解电容器按封装形式可分为金属封装型和树脂封装型两大类,按表面组装的要求又可以分为普通型、篼可靠型和薄型三大类。目前,适合SMT的液体铝电解电容器主要有V-CHIP型和卧式两种。
日本松下电子部品、三洋电子部品、Nichicon、Chemicon及Elna等公司目前都将片式铝电解电容器作为新的利润增长点。当今世界上拥有片式铝电解电容器工业产权最多的公司是曰本松下公司,至少有50项,产量居日本首位,从直径3至lOrran,其包括4、5、6. 3和8mm应有尽有W.在电性能方面最富特色的是Nichicon公司所生产的UZ系列产品,其高温负荷寿命力,并且是耐清洗品。体积最小的圆柱形矩形底座的片式铝电解电容器是Chemicon公司的MV系列产品,圆柱体直径为3mm,高度为5.由于片式铝电解电容器具有容量大,电容量温度稳定性好,适合表面组装等特点,目前正迅速取代传统的铝电解电容器,并且由于铝电解电容器价格低廉,随着铝电解电容器性能的提高,片式铝电解电容器正在逐渐取代钽电容器。近两年来,由于全球个人电脑和数码相机等电子产品产量的增大,03*的片式铝电解电容器将是目前最值得开发与发展的产品。
1.2篼频低阻抗技术损耗高、感抗大而导致失效。为改善铝电解电容器的高频特性,广大研究者作了很多探索。如考虑选择电极铆接技术,增加引出端或采用圆筒形伸出箔卷绕法。九十年代初所出现的瘦高形铝电解电容器就是旨在增加铝箔的开片宽度,减少卷绕圈数,从而减少高频时的电感,改善高频特性。在电解液方面则是大幅度降低其比电阻。如松下公司的HFZ系列品在500KHZ时的阻抗比普通品降低了百分之六七十。
高频低阻抗铝电解电容器研究的另一个方向是电解质固体化技术。目前铝固体电解质电容器主要使用TCNQ或聚吡咯作固体电解质。由于固体电解质具有极好的高频低阻抗特性、工作温度范围宽、寿命较长、稳定性较高、温度特性好、耐反向电压能力强等特点,被认为是铝电解电容器SMD化和大幅度提高铝电解电容器电性能最有希望的技术之一。
日本Sanyo公司开发的半导体TCNQ电解质首先实现了铝电解电容器的固体化。TCNQ的熔点为200300X:,电容器芯子采用传统的卷绕型,非常容易与传统的铝电解电容器生产工艺兼容和接轨。随后,日本Nichicon公司、Chemicon公司用化学或电化学方法聚合吡咯、噻吩和呋喃等五节环芳香杂环的功能高分子作为电解质,得到了电导率非常篼的电解质材料。
但使用聚吡咯作为电解质来制造铝电解电容器的工艺比较复杂,所以,寻找易于工业化的工艺路线是该技术实用化的主要目标。
1.3高比容电极的制造技术无论是液体铝电解电容器还是固体铝电解电容器,提高比率电容量,缩小体积,都需要依靠高比容铝电极制造技术。目前篼比容电极制造技术的主要研究方向为:高比容电蚀工艺的开发;高比容、篼效能化成工艺的开发;低容量衰减率工艺的开发。
对铝电解电容器阳极箔理论扩面倍率的计算机模拟计算131表明。目前中低压铝电解电容器用阳极箔的实际扩面倍率与理论扩面倍率相差很远,工艺提高余地还很大。在高比容电蚀工艺开发上,多级复合变频工艺的开发仍是主流方向,增强对光箔质量的控制,改进电蚀前预处理工艺仍值得关注。
使用电化学腐蚀的方法对铝箔实施扩面工程属于微米级的工业操作,铝箔在混酸体系中的电蚀机理目前仍有许多不清楚之处。真空沉积法制造电极箔作为一种全新的高比表面积电极箔制造技术可以获得比传统电电化学腐蚀方法更大的静电容量。使用该方法一方面可以有目的地控制多层膜的生长形态,大幅度地提高电极箔的比表面积,突破电蚀扩面的I:艺瓶颈;另-方面在真空沉积时入Ti等金属,实现对电极箔表面氧化物介质层介电常数的调制,提高铝电解电容器比率电容量。但是该工艺带来的是生产成本的大幅度增大,并且与传统铝电解电容器制造工艺的接轨也有很大的困难,其实用化研究有待进一步进行。
超级电容器超级电容器也称电化学电容器,是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件。它具有比传统电容器大得多的能童密度和比电池篼得多的功率密度,其出现填补了电池和传统电容器之间的空白。根据储能机理的不同,超级电容器可以分为双电层电容器(electricdouble-layercapacitor,EDLC)和质电容器(pseudocapacitor)。双电层电容器靠电极和电解液界面的双电层来存储电荷,其电极材料主要为篼比表面积碳材料。
赝电容器靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来存储电荷,对应的电极材料有金属氧化物和导电聚合物。超级电容器在电力、铁路、绿色能源、军品、航空航天领域的各种快速、大功率启动系统、无人值守与移动能源系统、后备电源等上都具有极其重要的应用价值报道以可溶性镍盐在一定条件下通过溶胶凝胶法制备多孔氧化镍,该材料具有大电流充放电性能和长循环寿命,组装成电容器后比容达到256F/g.Pang等在PH10.5的条件下,以高锰酸钾氧化高氯酸锰合成Mn02溶胶凝胶,用浸渍法制备Mn02电极,获得了698F/g的比容。目前,金属氧化物赝电容器正朝着提高电极材料的利用率方向发展。将材料化为无定型或者使材料细小化,增大材料与电解液的接触机会,提高材料的利用率,均可以达到提篼比容的目的。
2.3导电聚合物赝电容器以导电聚合物为超级电容器的电极材料主要利用其掺杂-去掺杂电荷的能力,依据方式的不同,可以分为P型掺杂和n型掺杂两种情况。根据两个电极使用材料的不同,导电聚合物赝电容器可以分为三种类型。I型采用同种P型掺杂导电聚合物制作电容器的两个电极。型采用两个不同的p型掺杂导电聚合物各制作一个电极。m型导电聚合物赝电容器的两个电极中,容器与I型、型相比,具有储存电量大、充放电时电荷利用率篼、可在高电压下放电完全等优点。AndyRudge使用聚3-(4-氟苯基)-噻吩作为电极材料实现了39Wh/Kg的能量密度和35KW/Kg的功率密度。目前,导电聚合物赝电容器研究的方向是与无机碳材料系列相互杂化和开辟新型高效导电有机聚合物。
结语电子技术对电容器小型化、片式化的要求,钽电解电容器、金属化纸介和金属化薄膜电容器在小型化和片式化方面的迅猛发展,超级电容器的出现等都使铝电解电容器面临前所未有的挑战。但是这并不意味着铝电解电容器已经穷途末路。有机半导体材料、导电聚合物材料的出现及其合成技术的成熟已经为铝电解电容器的更新换代奠定了物质基础。而且铝电解电容器在一段时间内不可相比的容量价格比仍足以使其维持主流产品的地位。
超级电容器作为一种很有应用前景的新型储能器件,早己引起我国科研工作者的重视,也取得了一系列的成果。但是,使用金属氧化物和导电聚合物作为超级电容器的电极材料,在全世界范围都是一个新课题,其研究前景极其广阔。