CN108063052A - 一种高压耐高温长寿命的铝电解电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压耐高温长寿命的铝电解电容器及其制造方法，包括设置有开口的壳体和用于密封所述开口的盖体，所述壳体内设置有芯包，所述芯包吸附有电解液，其特征在于，所述电解液耐135℃高温；所述芯包含浸电解液后与所述壳体、盖体之间组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙。本发明通过合理选用电解液溶剂、溶质以及添加剂，合理调控壳体内空隙的体积，控制组装时间，有效提高500V高压铝电解电容器的耐高温能力，更好的满足目前135℃高温、长寿命的铝电解电容器的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电解电容器技术领域，特别是涉及了一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器及其制造方法。
背景技术
目前国内用于LED驱动电源的铝电解电容器耐高温性能不是很好，造成使用寿命低，一般在1～2年就表现不良，主要是因为铝电解电容器不能耐高温，产品的信赖度不高。随着电子技术的迅速发展，铝电解电容器应用在高温工作环境越来越多。例如，绿色照明中的大功率节能灯、无极灯、汽车电子中的发动机控制线路等，对高压铝电解电容器的安全性、可靠性、长寿命提出了更高的要求。目前普通-25～+105℃铝电解电容器，很难满足发展要求。
目前在国内外为LED配套的铝电解电容器生产行业中，500V高压长寿命铝电解电容都在105℃下正常工作时间达到10000小时的寿命，暂还没有出现135℃产品。例如国外日本黑金刚NCC(Chemi-con)、红宝石（Rubycon）和国内艾华（AisHi）。但若是将温度上升到135℃，虽然按照行业内的“10度法则”计算的寿命应该是1250小时，但实际上，在这个温度下试验这些产品远不能够达到这个时间。因此，是无法为市场解决各类电源产品耐高温难题。
铝电解电容器作为LED电源的关键性元器件，其寿命决定LED灯寿命，另一方面LED驱动多是装置在灯具内驱动，本身的温升加上灯具的温升对电解电容来说很容易会超过温度上限，虽然这有赖灯具系统设计工程师的认知，但实际应用往往会超过电容的耐温上限，需要铝电解电容本身具有良好的耐温性能。随着电子技术的迅速发展，铝电解电容器应用在高温工作环境越来越多，尤其汽车照明、户外LED灯驱动电路等都要求135℃高温、长寿命的铝电解电容器。
目前的500V高压铝电解电容器在设计上，其电解液采用105℃或115℃耐温，电解纸采用双层耐高压电解纸搭配设计。然而，目前的500V高压铝电解电容器因设计上的缺陷，在上述135℃的高温条件下其寿命时间远远达不到客户的设计要求。其电解液由于采用105℃或115℃耐温，容易造成在135℃高温时电容器由于电解液耐温不够而引起的电容器防爆阀鼓起动作，电解液泄漏，使电容器寿命过早失效。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器及其制造方法，能显著提高500V高压铝电解电容器的耐高温能力，使电容器在135℃高温条件下能保证寿命。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器，包括设置有开口的壳体和用于密封所述开口的盖体，所述壳体内设置有芯包，所述芯包吸附有电解液，其特征在于，所述电解液耐135℃高温；所述芯包含浸电解液后与所述壳体、盖体之间组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙。
进一步地，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的6%。
进一步地，所述芯包的直径大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的12%。
进一步地，所述电解液的组分按重量百分含量计包括：主溶剂30-35％，溶质7.2-11.7％，及添加剂14.1-16.4％。
进一步地，所述溶质包括癸二酸铵、五硼酸铵和异癸二酸铵。
进一步地，所述电解液中各溶质的重量百分含量为：癸二酸铵0.7-1.5%、五硼酸铵1.5-2.2%、异癸二酸铵5-8%。
进一步地，所述添加剂包括对硝基苯甲酸、次亚磷酸、纳米二氧化硅、聚环氧乙烷醚、8-羟基喹啉、聚合硼酸酯、柠檬酸、以及二甘醇。
进一步地，所述电解液中各添加剂的重量百分含量为：对硝基苯甲酸1.2-2.0%、次亚磷酸1.3-2.0%、纳米二氧化硅0.4-0.60%、聚环氧乙烷醚0.3-0.50%、8-羟基喹啉0.5-0.70%、聚合硼酸酯0.4-0.60%、柠檬酸5%、二甘醇5%。
进一步地，所述主溶剂为己二醇。
本发明还提供一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，包括如下步骤：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
6) 老化；
7) 特性测试。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器，其电解液采用耐温性能达135℃的特定电解液，壳体内预留一定空隙，芯包含浸后组装时间控制在2小时内完成，进而提升500V高压铝电解电容器的耐135℃高温的能力及保证寿命；本电容器的生产过程中，通过合理选用电解液溶剂、溶质以及添加剂，合理调控壳体内空隙的体积，控制组装时间，有效提高500V高压铝电解电容器的耐高温能力，更好的满足目前135℃高温、长寿命的铝电解电容器的要求。
本发明的铝电解电容器的使用寿命达135℃，2000小时，耐高压达到500V，产品能完全满足大功率电子节能灯、汽车电子等对其需耐高温、使用寿命长的苛刻要求。
需要说明的是本发明的技术效果是各个步骤技术特征协同作用的总和，各步骤之间具有一定的内在相关性，并非单个技术特征效果的简单叠加。
具体实施方式
一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器，包括设置有开口的壳体和用于密封所述开口的盖体，所述壳体内设置有芯包，所述芯包由阳极箔、阴极箔和电解纸重叠并卷绕而成，其中阴极箔和阳极箔的相同侧分别设置有作为衬底的电解纸；贯穿所述盖体设置有与阳极箔钉接的正极导针和与阴极箔钉接的负极导针或贯穿盖体设置有与阳极箔钉接的正极导箔条和与阴极箔钉接的负极导箔条；所述芯包吸附有电解液。
所述电解液耐135℃高温。所述电解液的组分按重量百分含量计包括：主溶剂30-35％，溶质7.2-11.7％，及添加剂14.1-16.4％。
所述主溶剂为己二醇。
可以理解的，由于溶剂化效应的存在，该电解液中混合溶剂的选择及使用可有效增加电解液中有关溶质的溶解度，降低电解液的饱和蒸汽压，进而优化电容器的工作性能。
所述溶质包括癸二酸铵、五硼酸铵和异癸二酸铵。所述电解液中各溶质的重量百分含量为：癸二酸铵0.7-1.5%、五硼酸铵1.5-2.2%、异癸二酸铵5-8%。
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，添加剂对电解液的影响很微妙、复杂。现有的用于电解液的添加剂种类繁多，本发明人对大量的添加剂进行筛选、优化，从而筛选确定出适合添加在本发明中的添加剂的种类为对硝基苯甲酸、次亚磷酸、纳米二氧化硅、聚环氧乙烷醚、8-羟基喹啉、聚合硼酸酯、柠檬酸、以及二甘醇。所述电解液中各添加剂的重量百分含量为：对硝基苯甲酸1.2-2.0%、次亚磷酸1.3-2.0%、纳米二氧化硅0.4-0.60%、聚环氧乙烷醚0.3-0.50%、8-羟基喹啉0.5-0.70%、聚合硼酸酯0.4-0.60%、柠檬酸5%、二甘醇5%。本发明选用上述添加剂并合理控制各添加剂的添加量，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耐135℃高温。
需要说明的是，本发明电解液中还包括辅助溶剂，本发明对辅助溶剂的种类和用量不作特别限定，其对本领域技术人员来说属于公知。本发明在保证电解液中主溶剂、溶质和添加剂的组成和用量的情况下，就可以达到相应的效果。
电解液是铝电解电容器的实际阴极，电解液作为铝电解电容器的核心组分，电容器的使用寿命、可靠性以及相应的电气化参数都和电解液息息相关，其性能的优劣直接影响到电容器产品品质的高低。然而现有的铝电解电容器的电解液耐高温性较差，目前市场上普遍以耐温105℃的铝电解电容器居多，也有一部分耐温125℃的铝电解电容器，已不能完全满足发展需求。本发明人对电解液的组成和配比进行改进，经过发明人多次的试验研究，发明人出乎意料地发现，采用本发明特定的电解液，即以癸二酸铵、五硼酸铵和异癸二酸铵作为溶质，以己二醇作为主溶剂，以对硝基苯甲酸、次亚磷酸、纳米二氧化硅、聚环氧乙烷醚、8-羟基喹啉、聚合硼酸酯、柠檬酸、以及二甘醇作为添加剂，通过合理调控各组分的添加量，多种组分协同作用，可以提高电解液的耐高温性能，减少电解液高温时的挥发，降低电解液的饱和蒸汽压，使得本发明电解液能耐很135℃高温，提高铝电解电容器的使用寿命。本发明电解液的物化性质和电化学性能长期稳定，进而使得其拥有很长的使用寿命，并且能够改善电解液高温下的化学性质，进一步保障了铝电解电容器的在高温环境下的正常使用。
所述芯包含浸后与所述壳体、盖体之间组装的时间控制在2h以内。本发明控制芯包含浸后的组装时间，优选地，组装时间控制在2小时内，防止芯包暴露在大环境中吸收空气中的水分，破坏电解液的稳定性。
所述壳体与芯包之间设有空隙。优选地，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的6%。更优选地，所述芯包的直径大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的12%。本发明根据芯包的直径调控空隙的体积，使得高温时电容器内部饱和蒸汽压下降，防止因高温时使电容器内部饱和蒸汽压增大而导致的防爆阀鼓起。
本发明还提供上述500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，包括如下步骤：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
6) 老化；
7) 特性测试。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，步骤如下：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
6) 老化；
7) 特性测试。
其中，所述电解液的组分按重量百分含量计为：
1)主溶剂：32%的己二醇；
2) 溶质： 1%的癸二酸铵、1.8%的五硼酸铵、6.5%异癸二酸铵；
3) 添加剂： 1.6%的对硝基苯甲酸、1.6%的次亚磷酸，0.5%的纳米二氧化硅、0.4%的聚环氧乙烷醚、0.6%的8-羟基喹啉、0.5%的聚合硼酸酯、5%的柠檬酸和5%的二甘醇；
4）辅助溶剂：43.5%的水。
所述电解液的制造方法为：1)先将主溶剂及辅助溶剂加热至70-90℃，得到混合溶剂；2) 在上述混合溶剂中加入溶质后继续加热到140-155℃；3)再加入添加剂并使之完全溶解；4)自然冷却。
其中，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的6%。
实施例2
一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，步骤如下：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
6) 老化；
7) 特性测试。
其中，所述电解液的组分按重量百分含量计为：
1)主溶剂：30%的己二醇；
2) 溶质： 0.7%的癸二酸铵、1.5%的五硼酸铵、5%异癸二酸铵；
3) 添加剂： 1.2%的对硝基苯甲酸、1.3%的次亚磷酸，0.4%的纳米二氧化硅、0.3%的聚环氧乙烷醚、0.5%的8-羟基喹啉、0.4%的聚合硼酸酯、5%的柠檬酸和5%的二甘醇；
4）辅助溶剂：48.7%的水。
所述电解液的制造方法为：1)先将主溶剂及辅助溶剂加热至70-90℃，得到混合溶剂；2) 在上述混合溶剂中加入溶质后继续加热到140-155℃；3)再加入添加剂并使之完全溶解；4)自然冷却。
其中，所述芯包的直径大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的12%。
实施例3
一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，步骤如下：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
6) 老化；
7) 特性测试。
其中，所述电解液的组分按重量百分含量计为：
1)主溶剂： 35%的己二醇；
2) 溶质： 1.5%的癸二酸铵、2.2%的五硼酸铵、8%异癸二酸铵；
3) 添加剂： 2.0%的对硝基苯甲酸、2.0%的次亚磷酸， 0.60%的纳米二氧化硅、0.50%的聚环氧乙烷醚、0.70%的8-羟基喹啉、0.60%的聚合硼酸酯、5%的柠檬酸和5%的二甘醇；
4）辅助溶剂：36.9%的水。
所述电解液的制造方法为：1)先将主溶剂及辅助溶剂加热至70-90℃，得到混合溶剂；2) 在上述混合溶剂中加入溶质后继续加热到140-155℃；3)再加入添加剂并使之完全溶解；4)自然冷却。
其中，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的6%。
对比例1
基于实施例1，不同之处仅在于，所述电解液包括如下重量百分比的成分：己二醇30%-35%、纯水0.7-1.2%、癸二酸铵0.7-1.5%、五鹏酸铵1.5- 2.2%、异癸二酸铵5-8%、对硝基苯甲酸0.52-0.70%、次亚磷酸0.9-1.5%、柠檬酸2%、二甘醇 2%。
需要说明的是，该电解液的配方为公开号为CN107195460A的中国专利申请中电解液的配方。
对比例2
基于实施例1，不同之处仅在于，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积为所述壳体内部体积的4%。
对比例3
基于实施例2，不同之处仅在于，所述芯包的直径大于22mm，所述空隙的体积为所述壳体内部体积的10%。
对比例4
基于实施例1，不同之处仅在于，所述组装的时间大于2h。
试验例
制作实施例1-3及对比例1-4的铝电解电容器各20个，进行了其初期特性和寿命试验（135℃、500V负载、2000小时）。经实验表明，实施例1-3制备的铝电解电容器在135℃下负荷2000h以后，其容量(C)、串联等效电阻ESR与容抗1/ωC之比(又称为损耗)(tanδ)及漏电流(IL)等测试指标变化相对较小，而对比例1-4中的铝电解电容器的各测试指标波动性较大。
可以理解，本发明的技术效果是各个步骤技术特征协同作用的总和，各步骤之间具有一定的内在相关性，并非单个技术特征效果的简单叠加。本发明通过（1）合理选用电解液溶剂、溶质以及添加剂，（2）合理调控壳体内空隙的体积，以及（3）控制组装时间，有效提高500V高压铝电解电容器的耐高温能力，更好的满足目前135℃高温、长寿命（2000h）的铝电解电容器的要求，本发明产生的上述效果是相互协同所得到的，是不可分割的，产生了1+1+1远远大于3的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器，包括设置有开口的壳体和用于密封所述开口的盖体，所述壳体内设置有芯包，所述芯包吸附有电解液，其特征在于，所述电解液耐135℃高温；所述芯包含浸电解液后与所述壳体、盖体之间组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙。
2.如权利要求1所述的铝电解电容器，其特征在于，所述芯包的直径不大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的6%。
3.如权利要求1所述的铝电解电容器，其特征在于，所述芯包的直径大于22mm，所述空隙的体积不低于所述壳体内部体积的12%。
4.如权利要求1所述的铝电解电容器，其特征在于，所述电解液的组分按重量百分含量计包括：主溶剂30-35％，溶质7.2-11.7％，及添加剂14.1-16.4％。
5.如权利要求4所述的铝电解电容器，其特征在于，所述溶质包括癸二酸铵、五硼酸铵和异癸二酸铵。
6.如权利要求5所述的铝电解电容器，其特征在于，所述电解液中各溶质的重量百分含量为：癸二酸铵0.7-1.5%、五硼酸铵1.5-2.2%、异癸二酸铵5-8%。
7.如权利要求4所述的铝电解电容器，其特征在于，所述添加剂包括对硝基苯甲酸、次亚磷酸、纳米二氧化硅、聚环氧乙烷醚、8-羟基喹啉、聚合硼酸酯、柠檬酸、以及二甘醇。
8.如权利要求7所述的铝电解电容器，其特征在于，所述电解液中各添加剂的重量百分含量为：对硝基苯甲酸1.2-2.0%、次亚磷酸1.3-2.0%、纳米二氧化硅0.4-0.60%、聚环氧乙烷醚0.3-0.50%、8-羟基喹啉0.5-0.70%、聚合硼酸酯0.4-0.60%、柠檬酸5%、二甘醇5%。
9.如权利要求4所述的铝电解电容器，其特征在于，所述主溶剂为己二醇。
10.如权利要求1-9任一项所述500V高压耐高温长寿命的铝电解电容器的制造方法，包括如下步骤：
1) 裁切，裁切阴极箔、阳极箔和电解纸；
2) 钉绕，透过封装层将正极导针与阳极箔钉接，将负极导针与阴极箔钉接，将电解纸与阴极箔、阳极箔层叠，并与阳极箔和阴极箔一起卷绕成芯包；其中电解纸包括内层电解纸和外层电解纸，内层电解纸位于对应的阴极箔或阳极箔内侧；
3) 循环式抽真空、加压含浸，将芯包浸入电解液，周期性对其加载负压和正压，使电解液充分浸渍到电解纸上；
4) 组装，将浸渍好的芯包与壳体和盖体组装成裸品电容器，所述组装的时间控制在2h以内；所述壳体与芯包之间设有空隙；
5) 套管，将裸品电容器套上绝缘套管；
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7) 特性测试。
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