工作電解液電阻率對電容器電性能的影響

李 雁 楊紹艷

（長春維鴻東光電子器材有限公司 吉林 長春 130012）

鉭電解電容器廣泛應用在軍事通訊、雷達、導彈、航天、航空、石油等軍用設備及高科技領域中。因此，它不僅需要有優良的電性能，還要求有較高的可靠性。 在鉭電解電容器的設計制造中，選擇合適的電解液，不僅能獲得優良的電性能，而且能保證產品的可靠性。

設計工程師是按照所需電容器的各項參數來設計制造電容器的。選擇合適工作電解液， 會使電容器具有較好的溫度特性和頻率特性，常溫下具有更小的損耗和等效串聯電阻，而且工作電解液對電容器的可靠性和壽命有很大影響。下面我們將詳細討論怎樣根據電容器的工作電壓及所需電參數來選擇電解液，以及電解液的電阻率對電容器的影響。

1 設計分析和建立

銀外殼的液體電解質鉭電容器是以燒結多孔鉭為陽極，再用電化學方法，在鉭金屬表面生成致密的Ta2O5做為絕緣介質，以含酸工作電解液為陰極，按一定的方法密封在銀殼內組成了電容器。因此，它的電性能與使用的工作電解液的性質有很大關系。

圖1

圖2

圖3

圖1 顯示了這種電容器結構組成；圖2 為液體電解質鉭電容器的照片。 這個電容器的尺寸為：直徑為8mm，高為22mm；圖3 顯示了電容器分解后各部分的圖片。

我們知道，在鉭電解電容器中，因為陽極表面賦能了電介質，因此電容器能承受一定的擊穿電壓。 因此，電解電容器的工作電壓依賴于陽極上覆蓋的絕緣介質膜的厚度。 在鉭電解電容器中，用電化學方式直接賦能在陽極表面的絕緣介質是Ta2O5， 絕緣介質膜的厚度與絕緣介質膜的擊穿電壓有著直接的關系，而且絕緣介質膜的厚度與氧化膜形成過程中所加的賦能電壓的大小大致成比例。因此，用這種方法，我們可以生產出任何厚度的介質膜。 為了得到最大電容量，通常生產的介質膜盡量薄。但為了保證電容器的可靠性，我們在電容器的生產中，設計師設計的賦能電壓通常為電容器工作電壓的1.5～2 倍， 即Vf/Vw=1.5～2，而電容器的工作電解液的擊穿電壓達到1.3～1.4 倍即可。有時為了得到較低的漏電流，或者電容器使用在較高的溫度環境下，介質膜厚度會設計得較厚，但是這樣做的同時會減少容量。因此，在電容器設計中，電容器的設計賦能電壓，決定了絕緣介質膜的厚度，而絕緣介質膜的厚度與擊穿電壓有很大關系，與電容器的使用可靠性有很大關系。

另一方面，在電容器的設計制造中，影響電解電容器的介質擊穿電壓的還有工作電解液的電阻率。經測試，我們建立了如圖4 曲線。如圖所示：工作電解液的擊穿電壓與工作電解液的電阻率之間呈現出拋物線的曲線關系。 這種曲線關系與陽極絕緣介質的厚度、賦能電壓的大小、電解液的成份以及電解液的溫度均無關。

圖4

圖5

根據工作電解液的電阻率和擊穿電壓之間的函數關系，我們建立了擊穿電壓隨工作電解液的電阻率的半對數曲線圖，為一條直線。 如圖5 所示。在現生產中，我們可以根據這條曲線，來調整電解電容器的工作電解液的電阻率，以適應電解電容器所需的擊穿電壓值。

使用上述圖線，我們對鉭電解電容器工作電壓為160V-100μF 的產品進行了實驗試制。 先將電容器用鉭粉壓制成圓柱形鉭塊。 鉭塊尺寸為：Φ10×21mm，壓塊重：15200mg，經2000℃燒制30 分鐘后，用電化學方法在鉭表面生成氧化膜， 然后按照擊穿電壓是工作電壓的1.35倍來計算，即：Vb=1.35Vw（Vb 為擊穿電壓，Vw 為工作電壓）來進行計算得出：擊穿電壓Vb=216V，再從圖5 曲線查出該電壓下的工作電解液的電阻率約為8Ω.cm，電導率約為125mS。

我們先配制了硫酸的重量比為35%～40%的硫酸-硅溶膠溶液，再用乙二醇甲醚調整工作電解液的電導率，使工作電解液的電導率達到所需要的值，然后再計算出乙二醇甲醚的用量，這樣就配制好了工作電壓為160V 的電容器產品的工作電解液。 表1 記錄了一組實驗數據，其浸漬電解液按重量比為：硫酸30%，乙二醇甲醚為20%，其余是離子水。 其裝配電解液按重量比為：硫酸濃度31%～35%，乙二醇甲醚濃度為19%～23%，其余為硅溶膠。待產品裝配完成后，經老煉、篩選等各項試驗測試，產品均達到要求。

表1 液體電解質鉭電容器160V-100μF 產品三參數測試記錄

2 結果與討論

由上述表明，如果想要獲得較高的擊穿電壓，則需要使用電阻率較高的工作電解液。 在電容器的實際生產中，工作電壓一定要低于絕緣介質的擊穿電壓，這樣才能保證電容器的可靠性。在鉭電容器中，一般來說擊穿電壓至少是工作電壓的1.2 倍，即：Vb=1.2Vw，在這里Vb是擊穿電壓，Vw 是工作電壓。如果在實際中要減少電容器工作電壓下的漏電流或增加產品的可靠性，只要增大Vb/Vw 的比例。 一旦這個比例固定了，就能測算出擊穿電壓值，再根據圖5 曲線就能夠找到所用工作電解液的最低電阻率，再來尋找與之相適應的工作電解液。 尤其在工作電壓較高時，單純的硫酸電解液很難滿足電壓的要求，因此，據此圖線可調整電解液的擊穿電壓，以滿足要求。另外，我們知道電容器的ESR 主要來自于電解液，因此，當電容器需要較小的ESR 時，我們也可以據此找到既滿足擊穿電壓的要求，又能獲得較高的電導率的電解液。綜上所述，工作電解液的電阻率與擊穿電壓的關系曲線，對電解液的研究和電容器的現生產都有著較大的意義。

另外，要提高電容器在使用中的可靠性，只是單純提高賦能電壓來增加氧化膜厚度是不夠的，還應保證電容器工作電解液的電阻率在允許范圍內。

在電容器的設計中，為提高電容器的可靠性或某些電性能，設計師通常會將電容器的賦能電壓設計很高，而很容易忽略相適應的工作電解液電阻率的大小，尤其中、高壓產品和高溫工作的電容器，賦能電壓和電解液的電阻率的配合設計尤為重要, 單純提高賦能電壓設計，有時是毫無意義的。國外的液體鉭電容的賦能電壓設計值是工作電壓的1.25 倍，國內通常在1.5～2 倍，甚至更高。

但是，如果選用較高電阻率（即較低電導率）的電解液，雖然提高了擊穿電壓，同時它也增大了電容器的等效串聯電阻，增大了損耗。正因為這個原因， 盡量選擇能允許的最高電導率的工作電解液是重要的，尤其是所設計電容器的損耗和等效串聯電阻Res 要求較低時。

由于當溫度增加時電導率通常是升高的，因此，需要考慮電容器在使用溫度下電解液的電導率值。

在電容器的設計中， 通常低壓鉭電解電容器使用的工作電解液是重量經為38%的硫酸溶液，其常溫下的電阻率大約為：850ms,其擊穿電壓大約為120V, 適用的工作電壓在63V 以下，85℃時的電導率大約在1500ms，-50℃時的電導率大約在50ms。 這種電解液在常用工作電解液中，它的電導率是最高的，因此，用它做工作電解液，能獲得較低的損耗，并且在低于-55℃時仍能保持液體狀態，這種材料最困難的是密封，現電容器生產廠已基本使用了硅溶膠代替去離子水， 這種工作電解液不分層，損耗小，硅溶膠與硫酸穩定共存，溫度特性好，且易于密封。

另外，對于高于100V 工作電壓的電容器，單純硫酸的工作電解液的電導率太高了，會降低電解液的擊穿電壓。 如果減少酸濃度來降低電導，則該電解液的凝固點會升高，會使電容器的低溫工作性能劣化。 因此，對于工作電壓超過100V 的電容器，不能使用這種電解液，而應提高其電阻。 因此，對于工作電壓較高的電容器，可根據曲線圖5找到對應的工作電解液的電阻率， 再通過合適的方法調整電阻率，使之達到所需數值。目前，各廠家采用的方法為：在含有硫酸的工作電解液中加入乙二醇甲醚或乙二醇提高其電阻率，使電解液的電阻率達到我們需要的數值。有國外報到，工作電壓較高（160V 以上）的鉭電容是先配制乙二醇的水溶液，然后再用硫酸調整電導率配制而成。

3 結論

電容器的的介質膜的擊穿電壓不僅與氧化膜的厚度有關，還與工作電解液的電阻率之間有一定的關系。 即：電容器介質膜的擊穿電壓與電容器的工作電解液的電阻率之間遵循一種函數關系。這種關系不僅與陽極絕緣介質的厚度無關，而且與電解液成份、溫度等無關。 即:不管絕緣介質膜有多厚，不管電解液的成份是什么，如果選用的工作電解液的電阻率不夠，則陽極介質膜仍會被擊穿。

因此，在電容器的設計中，對于不同工作電壓的電容器，應選擇不同電阻率的工作電解液，以保證電容器絕緣介質膜的擊穿電壓在高于其工作電壓的合適范圍內， 并同時具有較低的損耗和等效串聯電阻Res。對于較高電壓的電容器可加入某種化學物質，通過調整電解液的電阻率找到合適的工作電解液。

同時工作電解液還應滿足下面的條件：

1）工作電解液與電容器其它電極材料必須保持電化學穩定和共存，且電解液還應該包含足量的H+離子，以保證做為電容器陰極的需要。

2）工作電解液的沸點和冰點分別遠高于工作溫度的上限值和遠低于工作溫度的下限值，即在電容器的工作溫度范圍內保持液體狀態。

3）工作電解液的粘度適中、浸潤性較好。

4）在保證電容器擊穿電壓的前提下，電解液的電導率盡量高。

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