摘采用混合支链多元羧酸铵盐作为主电解质, 乙二醇为主溶剂, 配合辅助溶剂, 添加多种功能防护剂, 制作了新型高温、高压、长寿命铝电解电容器工作电解液, 研究了以此电解液所制铝电解电容器的性能。结果表明, 所制电容器具有耐高温、长寿命、耐大纹波、低漏电流等特点, 用于节能灯、电子整流器时, 通过了150℃2 000 h高温负荷寿命试验。
[1-2]。因此研制高性能的工作电解液对于保证电容器的性能、寿命至关重要。
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400 V高压、长寿命工作电解液必须具备如下特点:
(1) 耐高温:工作电解液能在很高的使用温度 (如150℃) 下具有活性, 稳定工作。
(2) 低饱和蒸气压:工作电解液本身饱和蒸气压必须很低, 加入吸氢剂吸收产品内部氢气, 这样才能抑制电容器内部压力过大, 减少鼓炸, 延长电容器使用寿命。
(3) 合适的黏度:黏度是电解液的重要参数之一, 它关系到电解液的电阻率、饱和蒸气压、低温物化性能等, 合适的黏度为40~60 m Pa·s。
(4) 高电导率:工作电解液必须具备较高的电导率, 才能制得高频低阻抗、耐高纹波、耐高温的高压电容器。其高压工作电解液的电导率约为1.7×10–3 S/cm (30℃) 。
(5) 闪火电压高且稳定:为保证高压铝电解电容器的工作电压, 工作电解液的闪火电压需有一定的富余值, 并且在高低温情况下非常稳定。
(6) 高氧化效率:高压铝电解电容器要求工作电解液有较高的氧化效率, 能尽快恢复被损坏的介质氧化膜层, 延长产品的高温寿命。
(7) 物化性能稳定, 使用寿命长:电解液中的成分物化性能不稳定, 成分之间易相互发生反应生成水, 破坏氧化膜结构, 使电容器漏电流严重增大, 电容器严重发热而损坏。
(8) 无毒无害无腐蚀:工作电解液最好无毒无害, 不对人体产生伤害, 不对环境产生污染, 对铝箔、导针及密封胶塞无损伤。
表1 混合溶剂配比及试验数据Tab.1 Mixed solvent ratio and test data
混合后倒入5个同样的聚四氟乙烯密封罐中, 用夹具夹紧, 置于135℃环境中, 24 h后取出, 冷却到室温, 称量计算所得数据见表1。从表1中质量损失率可以看出4号损失最小, 即4号混合溶剂的饱和蒸气压最小。
表2 含水量比较Tab.2 Comparison of water content
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添加剂在电解液中的用量少, 但对电解液的性能改善起着十分重要的作用。
不同体系的电解液添加剂所起的作用不相同, 同体系同添加剂在不同的配制工艺中所起的作用也不尽相同, 因此, 添加剂对工作电解液的影响很微妙、复杂。
笔者除添加常规稳定剂、消氢剂外, 还添加了其他多种功能剂。
(1) 渗透剂。为了充分发挥电容器容量和降低损耗, 加入渗透剂JFC。JFC是脂肪醇与环氧乙烷的加成物, 呈中性, 易溶于水, 耐酸碱, 由于JFC疏水基短, 所以渗透性好。
(2) 加入阻化性氧化阴离子, 如钨酸盐。
(3) 能和腐蚀性杂质离子结合的化合物, 如硝基化合物、银化合物 (苯甲酸银) , 经过多次试验, 最终选用带负电极性的有机缓蚀剂。
(4) 添加大分子羧基酸 (如柠檬酸) , 其在溶剂中电离出阴离子, 在电场的作用下, 吸附在阳极表面, 形成一个吸附层, 这个吸附层有屏蔽电场的作用, 并使作用在电极的电场均匀, 消除了边缘效应, 同时可提高闪火电压 (Us) 20~50 V。
(5) 植酸酸性弱, 但能在阳极箔表面形成非常稳定的保护膜, 减少生成气体, 降低漏电流。
(6) 乳糖、核糖等有机高分子, 有很强的亲水性, 可阻止水与氧化膜的接触, 防止水合与侵蚀。
(7) 重铬酸铵可快速修复氧化膜的损伤, 并有助于高温闪火电压的稳定。
(8) 变性硅油的加入, 能提高氧化膜介质的强度。
还添加如纳米二氧化硅、聚环氧乙烷环氧丙烷醚、8-羟基喹啉以及聚合硼酸酯等其中的一种或多种。这些添加剂的引入, 可形成协同效应, 大大改善电解液的性能, 使铝电解电容器电解液具有耐高压、耐高温、耐纹波、耐腐蚀等特点, 从而提高铝电解电容器产品的使用寿命。
当p H值为5.0~6.5时, Al2O3氧化膜较稳定, 为此, 将电解液的p H值控制在5.5~6.5。控制p H值在一定范围内还可减少NH3的挥发。
提高电解液的烧煮温度, 加入防老化剂可减少电解液水分的含量, 经优化试验所得的高压工作电解液配方如表3所示。
实验时未套管。
从表4可以看出, 第5组的束腰深度太深已制作不出合格的电容器, 1组到4组束腰深度逐渐增加, 实验2 000 h后损失的总质量 (电解液损失) 逐渐减少, 由此可见束腰深度对电容器的密封有着重要的影响。笔者实验中束腰工艺值为8.30~8.35 mm效果最佳。
表5 产品高温负荷寿命结果Tab.5.Product high temperature load life results
