測試高比容鉭陽極容量的陰極裝置的結構與材質(zhì)

桂愉平

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

目前鉭粉生產(chǎn)廠家出廠電性能普遍使用濕式電性能檢測得到，先將鉭金屬粉末添加粘結劑壓制成型，然后在高真空中燒結成帶引線的多孔燒結體，接著將燒結體陽極賦能使鉭金屬表面形成介電層氧化膜Ta2O5，再進行濕式電性能檢測。在檢測陽極塊的容量和損耗過程中一般使用HP－4284A型LC精密測試儀進行測試，同時還需要測試時使用的陰極裝置。目前測試鉭陽極塊容量時使用的陰極主要有：（1）在鉑片上電鍍Pt黑的Pt黑陰極；（2）由多個鉭粉壓制燒結塊捆綁在銀片上制得的Ag－Ta陰極；（3）由更高比容的陽極賦能塊做陰極。

根據(jù)電容的決定式C＝εS／4πkd可知，電容C與電介質(zhì)常數(shù)ε、正對面積S成正比（即ε、S越大，C越大）；與距離d成反比（d越大，C越小）。若陽極表面積為S1，陰極表面積為S2，那正對面積S＝S1∩S2，即正對面積S為S1和S2之間的有效面積。所以為了滿足高比容鉭粉測試，陰極的表面積S2要遠大于陽極的表面積S1，否則，將影響高比容陽極容量C的測試結果。如許寧輝在《陰極比表面積對超高比容鉭陽極容量測試結果的影響》中所述，陰極比表面積是影響鉭陽極塊容量測試的一個關鍵因素，隨著鉭陽極容量的增大，測試所需的陰極比表面積也相應增大。當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值［1］。隨著研發(fā)鉭粉比容的提高就要求測試用陰極的比表面積足夠大，但是目前測試使用的主要方法有：（1）在鉑片上電鍍Pt黑的Pt黑陰極使用壽命短、表面積小；（2）由多個鉭粉壓制燒結塊捆綁在銀片上制得的Ag－Ta陰極結構復雜、損耗大，且捆綁的方式使鉭塊與銀片接觸不良。對不同結構及不同材質(zhì)的陰極對陽極塊的容量和損耗的影響進行分析，最終采用環(huán)狀的陰極結構，并優(yōu)選FTW500鉭粉作為環(huán)狀陰極材質(zhì)。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 Ag－Ta陰極

選擇FTW120K鉭粉，稱取1.0 g 20份，在Φ6.0 mm的模具中壓制成密度為（5.6＋0.1）g／cm3的成型塊，在1 300～1 400℃條件下真空燒結。將燒結塊均勻的捆綁在銀片上，銀片作為引出片。

1.1.2 Ta－Ta環(huán)狀陰極

選用FTW230、FTW50K、FTW150K鉭粉，分別稱取20.0 g各一份、15.8 g各三份。20.0 g鉭粉在Φ40.0 mm模具中壓制成密度為4.0 g／cm3的帶鉭絲引出線的成型塊，15.8 g鉭粉在Φ40.0 mm／Φ16.0 mm特制中空模具中壓制成密度為4.0／cm3的帶鉭絲引出線的環(huán)狀成型塊。?以吊掛的方式置于燒結爐內(nèi)，在壓力小于4.0×10－3Pa的真空條件下，以恒定的速率升溫至1 300～1 400℃，并燒結30～40min，溫度降至50℃以下后充氧鈍化冷卻至室溫［2］，并在12～20 h以后出爐，以防燒結塊返熱著火或變形。

將三塊Φ40.0 mm／Φ16.0 mm的環(huán)形燒結塊在上方，Φ40.0 mm燒結塊在下方的形式使用鉭片固定，并將鉭絲引出線點焊在鉭片上，鉭片作為陰極引出片，并固定在大小合適的塑料瓶中，作為測試陰極整體，如圖1所示。各陰極重量及表面積見表1。

圖1 環(huán)狀陰極結構

表1 陰極重量及表面積

1.2 試驗過程

選取FTW500、FTW800、FTW150K 3個牌號鉭粉，按照表2的條件進行成型、燒結、賦能、測試。使用設備有CA30－A液壓成型機、ZR－25－18TS真空高溫燒結爐、PAN350－3.5A 賦能電源、HP－4284A型LC精密測試儀。

表2 鉭陽極工藝條件

1.3 容量和損耗測試結果

容量和損耗測試結果分別見表3、表4，HP－4284A型LC精密測試儀設置測試頻率為120 Hz。

表3 容量檢測結果 μF

表4 損耗檢測結果

2 結果與討論

2.1 Pt－Pt黑陰極不適合用于鉭陽極容量測試

Pt－Pt黑陰極為鉑表面作電鍍處理，生成一種黑色“鉑絨”，以增加活性和表面積。現(xiàn)有技術可使所制得的Pt黑粒徑分布在0.1～3μm，平均粒徑為2μm，類球形，比表面大于27 m2／g。但鉑黑電極表面絕對不能擦拭，只能在去離子水中晃動清洗［3］。由于鉭陽極在濕式檢測過程中經(jīng)常會與陰極接觸摩擦，導致Pt－Pt黑陰極使用壽命極短。Pt－Pt黑陰極成本較高，并不適用于鉭陽極的濕式檢測。

2.2 Ag－Ta陰極與環(huán)狀陰極的對比

前文描述，根據(jù)電容的決定式C＝εS／4πkd可知，正對面積S越大，容量也越大，正對面積S＝S陽極∩S陰極，即正對面積S為S陽極和S陰極之間的有效面積。容量與距離d成反比。Ag－Ta陰極由20個Φ6.0 mm的FTW120K鉭燒結塊捆綁在銀片上，均勻地布置在有限的玻璃測試杯內(nèi)，但塊與塊之間有較多間隙，即使均勻布置，仍然占用測試杯較大空間。由表1可知20 g的FTW120K陰極表面積達到21.4 m2。

而環(huán)狀陰極充分利用了測試杯內(nèi)部有限的所有空間，使陰極重量達到了67.4 g，但是FTW230環(huán)狀陰極表面積仍然沒有FTW120K陰極大。在容量檢測結果中（圖2），表面積較小的FTW230環(huán)狀陰極較表面積大的FTW120K陰極測試結果卻要大。而且在損耗測結果中（圖3），F(xiàn)TW230環(huán)狀陰極較FTW120K陰極要小很多。

圖2 FTW120K陰極與FTW230環(huán)狀陰極容量測試結果對比

圖3 FTW120K陰極與FTW230環(huán)狀陰極損耗測試結果對比

FTW120K陰極的正對面積S并未達到最大，表面積有21.4 m2的FTW120K陰極未將其有效面積全部利用起來，不能將高比容鉭粉容量全部引出，這與Ag－Ta通過捆綁的形式有較大關系，隨著Ag片的變黑氧化，Ag與Ta之間的電阻會越來越大，導致正對面積S變小。同時，在測試過程中，由于不同測試人員在測試時，鉭陽極放置區(qū)域不一致，導致鉭陽極與陰極的距離d偏差較大，造成損耗測試結果偏差也大。

環(huán)狀陰極空間利用率很高，Ta－Ta通過點焊連接，電阻較小，正對面積S較高。同時環(huán)狀的結構形式保證在測試過程中鉭陽極與陰極的平均距離d始終保持穩(wěn)定，即當鉭陽極塊離一端陰極距離遠的同時，距另一端的陰極距離又近了，使容量、損耗測試結果穩(wěn)定。

2.3 環(huán)狀陰極材料的選擇

從表1可知，F(xiàn)TW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極的重量均為67.4 g，表面積分別為20.22 m2、37.07 m2、81.55 m2，F(xiàn)TW150K環(huán)狀陰極幾乎可將現(xiàn)有高比容鉭陽極容量全部引出。由前文可知，當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值。但隨著陰極表面積增大，損耗卻也開始增大，測試對比結果如圖4、圖5所示。

圖4 FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極容量測試對比

圖5 FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極損耗測試對比

從圖4、圖5可以看出，F(xiàn)TW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極容量測試結果并不明顯，對應了當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值，相對面積S≈S陽極。但隨著陰極表面的逐漸增大，測試得到的損耗也呈直線上升趨勢，F(xiàn)TW150K環(huán)狀陰極尤為明顯。損耗是在電場作用下，消耗的無功功率與消耗的有功功率的比值［4］。陰極表面積過大，會導致回路中的電阻增加，消耗回路中的功率，造成無功功率增加，損耗增大。所以，陰極的表面積不一定要越大越好。FTW230、FTW500環(huán)狀陰極在測試FTW500至FTW150K時，容量與損耗幾乎無區(qū)別，但FTW500環(huán)狀陰極表面積幾乎是FTW230的一倍，更適合測試更高比容的鉭陽極。

3 結 論

1.在濕式檢測鉭陽極時，環(huán)狀陰極結構能使陽極面積與陰極面積的平均距離d始終穩(wěn)定，使容量、損耗測試結果更穩(wěn)定。

2.FTW500鉭粉作為環(huán)狀陰極材質(zhì)，容量測試值高、損耗測試值小，測試值更接近于鉭陽極的真實值，適合超高比容鉭陽極的濕式檢測。