退火時間對電容器用鋁箔表面活性及腐蝕發孔的影響

李永春，尹建平，覃 雪，盧永課，黃 奎，甘 勇

（1.廣西正潤新材料科技有限公司，賀州 542899；2.廣西容創新材料產業研究院有限公司，賀州 542899）

0 前言

鋁電解電容器憑借其體積小、容量大、成本低等優點占據著電容器市場中較大的市場份額，被廣泛應用于消費電子、光電產品、電腦、手機、汽車、器械等領域[1]。隨著現代科技的進步及電子工業的迅猛發展，對鋁電解電容器的需求量不斷增加。近年來，電子產品趨向輕薄化，使得電子元件越來越小，對鋁電解電容器的體積要求也越來越高。鋁電解電容器用鋁箔作為生產鋁電解電容器電極材料的上游原料，其腐蝕性能直接影響到鋁電解電容器的容量和體積，因此具有非常重要的研究價值[2]。利用電化學腐蝕技術可在鋁箔上腐蝕出大量隧道孔以增加材料比表面積進而提高儲容量[3-4]，腐蝕后的鋁箔經過化成后可生成絕緣的致密氧化膜[5]。鋁電解電容器用鋁箔的生產工序較長，涉及熔鑄、均勻化退火、熱軋、冷軋、箔軋、中間退火、終軋、拉矯、剪切、最終退火等多道工序，已有研究表明在最終退火工序中會發生織構類型的轉變[6]，對鋁箔的腐蝕性能有著較大的影響。

朱宏喜[7]研究了于300~500℃下退火0.5~2 h的鋁箔氧化膜和比電容，其研究結果表明500℃下退火的鋁箔表面微量元素分布更均勻、腐蝕坑密度更大、比電容更高。呂亞平等[8]研究了退火工藝對鋁箔氧化膜和比電容的影響，其研究結果表明500℃下退火的鋁箔表面微量元素分布更接近于平衡狀態，腐蝕坑更細小，比電容更高，而低溫退火的鋁箔因微量元素偏聚在表面位錯附近導致更高的化學不穩定性，進而造成比容降低。毛衛民等[9]研究了退火對鋁箔微量元素分布和腐蝕性能的影響，其研究結果表明，相比于300℃退火，500℃退火時微量元素富集于鋁箔表面的現象更加明顯，且其富集時分布更均勻，進而獲得更均勻的腐蝕結構和更高的比電容。陳明安[10]等研究了退火工藝對鋁箔腐蝕發孔性能的影響，其研究結果表明，退火工藝可以通過改變微量元素在鋁箔表面的聚集形式來改變腐蝕發孔率和發孔均勻性，快速空冷的冷卻方式可有效防止已富集到鋁箔表面的微量元素再次擴散回鋁箔內層，同時升溫過快不利于腐蝕發孔率的提高。

本文在已有研究的基礎上，系統地研究了最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔表面活性L值、宏觀腐蝕性能及微觀腐蝕發孔情況的影響，為鋁電解電容器用鋁箔的技術改進提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所用鋁電解電容器用鋁箔樣品取自某公司最終退火工序前的剪切工序，用于制備該鋁箔的原料為鋁含量99.996%的高純鋁。該鋁箔正常制備后用于高壓腐蝕箔的生產，后續用作鋁電解電容器正極材料。

1.2 實驗方法

將鋁箔樣品放于500℃的博萊曼特高溫管式爐中進行12 h、15 h、18 h、21 h的最終退火處理。鋁箔表面活性L值是采用色差計測量經電化學腐蝕處理后的鋁箔得出的，其中電化學腐蝕液由1.05 mol/L鹽酸、3.9 mol/L硫酸和0.13 mol/L氯化鋁組成。

經過模擬腐蝕處理后測出比電容和折彎強度，其中比電容通過LCR數字電橋測量電容量后換算得量；折彎強度通過鋁箔折彎試驗機在順時針、逆時針各轉90°及轉速360 r/min的折彎條件下測量，測出數值為其斷裂前的折彎回數。模擬腐蝕處理流程為：前處理→一次發孔腐蝕→二次擴孔腐蝕→后處理。詳細流程為：將鋁箔放置于0.2 mol/L的磷酸溶液中于65℃下前處理60 s；將經前處理后的鋁箔放入硫酸濃度3 mol/L、鹽酸濃度1.8 mol/L、Al3+濃度0.3 mol/L的一次發孔腐蝕液中在70℃、總電流1 200 A的條件下發孔腐蝕200 s；將經一次發孔腐蝕后的鋁箔放入硝酸濃度1.4 mol/L、磷酸濃度0.03 mol/L、Al3+濃度0.3 mol/L的二次發孔腐蝕液中在75℃、電流45 A的條件下擴孔腐蝕200 s；將經二次擴孔腐蝕后的鋁箔放入硝酸濃度0.2 mol/L的后處理液中在65℃下后處理120 s，然后用去離子水沖洗烘干，得到用于測量比電容和折彎強度的待測樣。

通過圖像處理軟件對掃描電鏡所拍攝的模擬腐蝕后表面照片進行統計分析后得出平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率。通過圖像處理軟件所拍攝的模擬腐蝕后橫截面照片進行統計分析得出正反面平均孔長。

2 實驗結果與討論

2.1 退火時間對鋁箔表面活性的影響

最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔表面活性L值的影響如圖1所示。從圖中可以看出，表面活性L值隨退火時間的增加呈現先增加后減小的趨勢。退火15 h時，鋁箔表面活性L值最高，達到86.31。表面活性L值是工業上用于間接反映鋁箔腐蝕性能的重要參數，L值越高，對鋁箔腐蝕發孔越有利。影響表面活性L值的最主要因素是鋁箔表面微量元素分布情況，微量元素在鋁箔表面的偏聚程度越大，鋁箔的表面活性L值越高。研究表明[11]：純鋁具有很高的表面能，在適當的熱激活條件下，鋁箔內的微量元素在表面能的驅動下會向鋁箔表面的缺陷、位錯等區域富集；隨著退火時間的增加，微量元素在表面的平衡偏聚濃度會增加，當退火時間過長時，已經偏聚的微量元素在濃度梯度的影響下，將會重新向鋁箔內層擴散。

圖1 退火時間對鋁箔表面活性L值的影響

2.2 退火時間對鋁箔宏觀腐蝕性能的影響

最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔腐蝕比電容及折彎強度的影響如圖2所示。從圖中可以看出，比電容及折彎強度皆隨退火時間的增加呈現出先增加后減小的趨勢。當最終退火時間為15 h時，比電容及折彎強度達到最大值，分別達到0.753μF/cm2和49回。這表明鋁箔表面活性越高越有利于腐蝕。

圖2 退火時間對鋁箔比容及折彎強度的影響

2.3 退火時間對鋁箔微觀腐蝕發孔情況的影響

最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔表面腐蝕形貌的影響如圖3所示。從圖中可以看出，退火18 h時存在較嚴重的并孔現象；退火21 h時發孔情況較差，存在相對較大的區域未發孔；退火15 h時整體發孔情況相對更加均勻。

圖3 退火時間對鋁箔表面腐蝕形貌的影響

采用圖像處理軟件對圖3進行統計分析，得出最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔腐蝕后平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率的影響，如圖4所示。從圖中可以看出，退火時間對平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率的影響皆呈現出先增加后減小的趨勢。在退火時間為15 h時，平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率達到最大值，分別為1.41μm、1.39×107/cm2和27%。

圖4 退火時間對鋁箔平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率的影響

最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔橫截面腐蝕形貌的影響如圖5所示。從圖中可以看出，在縱向隧道孔上存在一定的支孔。研究表明，支孔也可以有效提高腐蝕箔的比電容[12]。

圖5 退火時間對鋁箔表面腐蝕形貌的影響

采用圖像處理軟件對圖5進行統計分析，得出最終退火時間對鋁電解電容器用鋁箔腐蝕后正反面平均孔長的影響，如圖6所示。從圖中可以看出，退火時間對正反面平均孔長的影響無明顯一致性規律，4組退火時間的正反面平均孔長分布在55~60μm區間。

圖6 退火時間對鋁箔平均孔徑長度的影響

平均孔徑、孔密度、總孔面積占有率和平均孔長等是影響鋁電解電容器用鋁箔宏觀腐蝕性能的關鍵因素，當這些影響因素達到一個相對最優的狀態時，隧道孔結構達到最優、比表面積達到最大，此時鋁箔的腐蝕比電容能夠得到最大程度的提升。在退火15 h時，鋁箔腐蝕后的平均孔徑、孔密度、總孔面積占有率及平均孔長的整體綜合性能達到了最優組合，有效地增加了腐蝕箔的比表面積，從而使得腐蝕箔的宏觀腐蝕性能達到最優，獲得最高比電容。

3 結論

（1）鋁箔表面活性L值隨退火時間的增加呈現先增加后減小的趨勢。在退火時間為15 h時，鋁箔表面活性L值最高，達到86.31。

（2）鋁箔的宏觀腐蝕性能隨退火時間的增加呈現先增加后減小的趨勢。在退火時間為15 h時達到最優，其對應的比電容和折彎強度分別達到0.753μF/cm2和49回。

（3）在鋁箔的微觀腐蝕發孔情況方面，平均孔徑、孔密度及總孔面積占有率皆隨退火時間的增加呈現先增加后減小的趨勢，在退火時間為15 h時達到最優，分別為1.41μm、1.39×107/cm2和27%；平均孔長隨退火時間的增加無明顯變化規律。