CN103632851A - 高电导率无硼系工作电解液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电导率无硼系工作电解液及其制备方法，该电解液按重量百分比计，包括以下组份：溶剂50～80%，修补剂2～20%，电导率调节剂2～20%，钝化剂0.1～1%，闪火电压提升剂1～10%，消氢剂0.2～2%。本发明的制备方法包括：S1.称重；S2.将溶剂和修补剂加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶；S3.将电导率调节剂滴入S2中，搅拌20～40分钟；S4.将闪火电压提升剂、钝化剂和消氢剂，依次加入S3中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50～70分钟；S5.放置冷却至室温，得电解液。其有益效果：电解液中不含硼酸或硼酸盐；电解液的电导率较高；使用寿命较长。
Description
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，更具体地说，涉及一种用于中高压铝电解电容器的高电导率无硼系工作电解液及其制备方法。
背景技术
中高压铝电解电容器广泛应用一般电子线路中，其主要用途是储能、滤波、耦合、振荡、移相、降压、积分、记忆等。中高压电解电容器工作电解液作为电解电容器的实际负极，在电解电容器产品中占据着极其重要的地位，它影响着产品能否长期正常工作，并且具有优化电容器电气性能的作用。
传统的中高压铝电解电容器用工作电解液是硼酸或硼酸盐加乙二醇体系，其中，硼酸或硼酸盐往往在中高压铝电解电容器用工作电解液中起到至关重要的作用。由于硼酸或硼酸盐和乙二醇会发生酯化反应，反应后会产生少量水。水少量存在于电解液中有助于电容器电极箔氧化膜的修复，少量水的存在也有利于工作电解液中溶质的溶解，有利于工作电解液电导率的提高；同时硼酸或硼酸盐还会与二甘醇或聚乙二醇或聚乙烯醇发生酯化反应，反应后会使工作电解液的闪火电压大幅提高，高闪火电压的工作电解液有利于中高压铝电解电容器产品的安全性和稳定性。
考虑到环保因素及电子线路的安全性，一些国家逐渐禁止在中高压铝电解电容器中使用硼及其盐类物质，例如欧盟化学品管理局公布的高关注物质（SVHC）列表中硼及其盐类物质都被列入禁用物质中。
由于硼酸或硼酸盐往往在中高压铝电解电容器用工作电解液中起到至关重要的作用，而禁用硼酸或硼酸盐，会降低中高压铝电解电容器用工作电解液的性能，因此需要一种既不用硼酸或硼酸盐，又不会降低中高压铝电解电容器用工作电解液性能的新型电解液。同时，现有技术的中高压铝电解电容器用工作电解液，还存在电导率较低、使用寿命较短的缺点，如在高频低阻场合或耐大纹波电流场合，现有技术的中高压铝电解电容器用工作电解液的电导率显得较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷：禁用硼酸或硼酸盐会降低中高压铝电解电容器用工作电解液的性能、现有技术的中高压铝电解电容器用工作电解液的电导率较低、使用寿命较短，提供一种高电导率无硼系工作电解液及其制备方法。本发明的高电导率无硼系工作电解液适用于中高压铝电解电容器，该电解液中无硼酸或硼酸盐，使用寿命长，其性能达到甚至超过现有技术中含硼酸或硼酸盐的电解液，特别是本发明的电解液的电导率较高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高电导率无硼系工作电解液，按重量百分比计，包括以下组份：
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述溶剂为乙二醇。乙二醇为工作电解液的基础溶剂。
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述修补剂为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种。
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述电导率调节剂为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种。
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述钝化剂为次亚磷酸铵。钝化剂主要修补电极箔上氧化膜外层的磷化膜，而达到抑制水合的作用，磷化膜的完整存在使得铝氧化膜对水化反应不敏感，从而保护铝介质氧化膜。
同时，修补剂和钝化剂还具有以下作用：在中高压铝电解电容器老化和工作时主要修补电极箔上的氧化膜，氧化膜的完整存在提高了中高压铝电解电容器的电气特性和产品的寿命特性。
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种。闪火电压提升剂能有效提高无硼系工作电解液的闪火电压，使本发明的电解液成为一种安全、稳定、长寿命的中高压铝电解电容器用工作电解液。
在本发明所述的高电导率无硼系工作电解液中，所述消氢剂为对硝基苯甲醇。在中高压铝电解电容器老化和工作过程中需要不断修补电极箔上的氧化膜缺陷，修补氧化膜缺陷就会产生氢气，氢气的产生会使电解电容器内压升高，严重时电解电容器会爆炸，而消氢剂就是在这一过程中起到吸收氢的作用。
本发明还提供一种高电导率无硼系工作电解液的制备方法，包括以下步骤：
S1、称重：称量溶剂、修补剂、电导率调节剂、钝化剂、闪火电压提升剂和消氢剂；
S2、第一次溶解：将溶剂和修补剂加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶；
S3、第二次溶解：将电导率调节剂滴入S2中已全溶的溶液中，并以大于S2的搅拌速度搅拌20～40分钟；
S4、第三次溶解：将闪火电压提升剂、钝化剂和消氢剂，依次加入S3中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50～70分钟；
S5、冷却：放置冷却至室温，得电解液。
在本发明所述的铝电解电容器无硼系工作电解液的制备方法中，所述步骤S4中，以110℃恒温60分钟。
在本发明所述的铝电解电容器无硼系工作电解液的制备方法中，
所述溶剂为乙二醇；
所述修补剂为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种；
所述电导率调节剂为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种；
所述钝化剂为次亚磷酸铵；
所述闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种；
所述消氢剂为对硝基苯甲醇。
实施本发明的高电导率无硼系工作电解液及其制备方法，具有以下有益效果：在完全不使用硼及其盐的前提下，制得高电导率无硼系工作电解液，该电解液具有较高的电导率，并提高了电解液修补铝箔氧化膜的能力；该电解液性能稳定、品质可靠，寿命比使用含硼及其盐的传统工作电解液要长，明显提升了铝电解电容器的使用性能。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以具体实施方式说明本发明。
本发明的高电导率无硼系工作电解液，按重量百分比计，包括以下组份：
溶剂为乙二醇。乙二醇为工作电解液的基础溶剂。
修补剂为有机羧酸。有机羧酸为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种。
电导率调节剂为有机胺。有机胺为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种。
钝化剂为次亚磷酸铵。钝化剂主要修补电极箔上氧化膜外层的磷化膜，而达到抑制水合的作用，磷化膜的完整存在使得铝氧化膜对水化反应不敏感，从而保护铝介质氧化膜。修补剂和钝化剂具有以下作用：在中高压铝电解电容器老化和工作时主要修补电极箔上的氧化膜，氧化膜的完整存在提高了中高压铝电解电容器的电气特性和产品的寿命特性。
闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种。闪火电压提升剂能有效提高无硼系工作电解液的闪火电压，使本发明的电解液成为一种安全、稳定、长寿命的中高压铝电解电容器用工作电解液。
消氢剂为对硝基苯甲醇。在中高压铝电解电容器老化和工作过程中需要不断修补电极箔上的氧化膜缺陷，修补氧化膜缺陷就会产生氢气，氢气的产生会使电解电容器内压升高，严重时电解电容器会爆炸，而消氢剂就是在这一过程中起到吸收氢的作用。
传统的中高压铝电解电容器用工作电解液是靠硼酸或硼酸盐和乙二醇会发生酯化反应，反应后会产生少量水，水少量存在于电解液中有助于电容器电极箔氧化膜的修复，少量水的存在有利于工作电解液中溶质的溶解，有利于工作电解液电导率的提高。本发明的电解液没有使用硼酸或硼酸盐，而是使用有机羧酸，但是未使用硼酸或硼酸盐就会使得有机羧酸的溶解度十分有限，工作电解液的电导率提高十分困难。本发明是在乙二醇+有机羧酸+有机醚体系通过一种新方法添加有机胺，有机胺的添加能有效提高无硼系工作电解液的电导率，使得本发明的无硼系工作电解液成为一种安全、稳定、高频低阻、长寿命、耐大纹波电流的中高压铝电解电容器用工作电解液。本发明制得的电解液比现有技术的电解液的电导率提高至少30%。
在本发明的高电导率无硼系工作电解液的制备方法中，包括以下步骤：
S1、称重：称量溶剂、修补剂、电导率调节剂、钝化剂、闪火电压提升剂和消氢剂。称量的重量组份与本发明的电解液中的重量组份一致。
S2、第一次溶解：将溶剂和修补剂加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
S3、第二次溶解：将电导率调节剂滴入S2中已全溶的溶液中，并以大于S2的搅拌速度搅拌20～40分钟。例如，S2中的搅拌速度是120转/分钟，S3中的搅拌速度是150转/分钟。
S4、第三次溶解：将闪火电压提升剂、钝化剂和消氢剂，依次加入S3中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50～70分钟。优选以110℃恒温60分钟。
S5、冷却：放置冷却至室温，得电解液。室温优选20～30℃。
其中：
溶剂为乙二醇。
修补剂为有机羧酸。有机羧酸为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种。
电导率调节剂为有机胺。有机胺为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种。
钝化剂为次亚磷酸铵。
闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种。
消氢剂为对硝基苯甲醇。
需要说明的是，本发明所用的试剂，均为市售常用试剂。
实施例1
按重量份数称取：乙二醇50份、己二酸20份、乙二胺20份，次亚磷酸铵0.6份、二甘醇醚7.4份、对硝基苯甲醇2份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和己二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将乙二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌20分钟。
（3）、第三次溶解：将二甘醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为20℃，得电解液。
实施例2
按重量份数称取：乙二醇80份、辛二酸5份、三乙胺5份，次亚磷酸铵0.1份、聚乙二醇醚9.7份、对硝基苯甲醇0.2份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和辛二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将三乙胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌40分钟。
（3）、第三次溶解：将聚乙二醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为26℃，得电解液。
实施例3
按重量份数称取：乙二醇76份、壬二酸2份、丁二胺2份，次亚磷酸铵0.1份、聚甘油醚9.7份、对硝基苯甲醇0.2份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和、壬二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将丁二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌40分钟。
（3）、第三次溶解：将聚甘油醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为26℃，得电解液。
实施例4
按重量份数称取：乙二醇70份、癸二酸12份、戊二胺10份，次亚磷酸铵1份、聚甘露醇醚5份、对硝基苯甲醇2份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和癸二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将戊二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌40分钟。
（3）、第三次溶解：将聚甘露醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温65分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为27℃，得电解液。
实施例5
按重量份数称取：乙二醇64份、十二双酸10份、己二胺15份，次亚磷酸铵0.8份、聚山梨糖醇醚9.2份、对硝基苯甲醇1份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和十二双酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将己二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌40分钟。
（3）、第三次溶解：将聚山梨糖醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为25℃，得电解液。
实施例6
按重量份数称取：乙二醇64份、1，7-癸二酸10份、辛二胺15份，次亚磷酸铵0.8份、聚乙二醇醚和聚甘油醚各3份、对硝基苯甲醇1份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇和1，7-癸二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将辛二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌40分钟。
（3）、第三次溶解：将聚乙二醇醚、聚甘油醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为25℃，得电解液。
实施例7
按重量份数称取：乙二醇68份、（1，6-十二双酸、1，10-十六双酸和1，12-十八双酸各3份）、壬二胺12份，次亚磷酸铵0.5份、（聚甘油醚、聚甘露醇醚和聚山梨糖醇醚各3份）、对硝基苯甲醇1.5份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸和1，12-十八双酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将壬二胺滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌30分钟。
（3）、第三次溶解：将聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温68分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为25℃，得电解液。
实施例8
按重量份数称取：乙二醇68份、（辛二酸和壬二酸各6份）、（三乙胺和丁二胺各5份），次亚磷酸铵0.7份、（二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚和聚甘露醇醚各2份）、对硝基苯甲醇1.3份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇、辛二酸和壬二酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将三乙胺和丁二胺的混合液滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌35分钟。
（3）、第三次溶解：将二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为25℃，得电解液。
实施例9
按重量份数称取：乙二醇55份、（己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸和十二双酸各3份）、（乙二胺、三乙胺、丁二胺和戊二胺各5份），次亚磷酸铵0.4份、（二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚和聚甘露醇醚各2份）、对硝基苯甲醇1.6份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇、己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸和十二双酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将乙二胺、三乙胺、丁二胺和戊二胺的混合液滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌30分钟。
（3）、第三次溶解：将二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为25℃，得电解液。
实施例10
按重量份数称取：乙二醇64份、（癸二酸和十二双酸各6份）、（三乙胺和戊二胺各7份），次亚磷酸铵0.8份、（聚乙二醇醚和聚甘露醇醚各4份）、对硝基苯甲醇1.2份，制备高电导率无硼系工作电解液。
以上述称重的原料制备高电导率无硼系工作电解液：
（1）、第一次溶解：将乙二醇、癸二酸和十二双酸加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶。
（2）、第二次溶解：将三乙胺和戊二胺的混合液滴入（1）中已全溶的溶液中，并以大于（1）的搅拌速度搅拌28分钟。
（3）、第三次溶解：将聚乙二醇醚、聚甘露醇醚、次亚磷酸铵和对硝基苯甲醇，依次加入（2）中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温60分钟。
（4）、冷却：放置冷却至室温，室温为26℃，得电解液。
本发明高电导率无硼系工作电解液的特性：
1、30摄氏度测试工作电解液的电导率是1.7±0.2ms/cm；
2、30摄氏度测试工作电解液的酸碱度是6.5±0.5；
3、80摄氏度测试工作电解液的闪火电压最低值不小于500V；
4、80摄氏度测试工作电解液的粘度是20±2mPS1.s。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组份：
溶剂 50～80%，
修补剂 2～20%，
电导率调节剂 2～20%，
钝化剂 0.1～1%，
闪火电压提升剂 1～10%，
消氢剂 0.2～2%。
2.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述溶剂为乙二醇。
3.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述修补剂为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述电导率调节剂为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述钝化剂为次亚磷酸铵。
6.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的高电导率无硼系工作电解液，其特征在于，所述消氢剂为对硝基苯甲醇。
8.一种高电导率无硼系工作电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、称重：称量溶剂、修补剂、电导率调节剂、钝化剂、闪火电压提升剂和消氢剂；
S2、第一次溶解：将溶剂和修补剂加入容器中，搅拌并加热至50℃，停止加热，搅拌至全溶；
S3、第二次溶解：将电导率调节剂滴入S2中已全溶的溶液中，并以大于S2的搅拌速度搅拌20～40分钟；
S4、第三次溶解：将闪火电压提升剂、钝化剂和消氢剂，依次加入S3中，搅拌，升温至110℃，以110℃恒温50～70分钟；
S5、冷却：放置冷却至室温，得电解液。
9.根据权利要求8所述的高电导率无硼系工作电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，以110℃恒温60分钟。
10.根据权利要求8所述的高电导率无硼系工作电解液的制备方法，其特征在于：
所述溶剂为乙二醇；
所述修补剂为己二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二双酸、1，7-癸二酸、1，6-十二双酸、1，10-十六双酸、1，12-十八双酸中的至少一种；
所述电导率调节剂为乙二胺、三乙胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、辛二胺、壬二胺中的至少一种；
所述钝化剂为次亚磷酸铵；
所述闪火电压提升剂为二甘醇醚、聚乙二醇醚、聚甘油醚、聚甘露醇醚、聚山梨糖醇醚中的至少一种；
所述消氢剂为对硝基苯甲醇。
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