CN110993346B - 一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质：5%‑25%，添加剂1%‑10%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述溶剂为乙二醇、γ‑丁内酯、丙三醇和水。本发明中，通过研制高性能的电解液，选择适宜的电极箔和控制密封，所制得的铝电解电容器阻抗低，能够承受更大的纹波电流，能够满足目前开关电源的小型化，大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装的要求。
Description
技术领域
本发明涉及了铝电解电容器技术领域，特别是涉及了一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器。
背景技术
开关电源是电子电源主要大类产品，由于其具有输入电压范围宽、体积小、质量轻、且功率转换效率高，待机功耗小等众多种优点，得到迅速的发展，并逐步取代了线性工频电源，应用于各种智能化电子终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业迅猛发展过程中不可缺少的一种器件。随着开关电源逐渐向高频化、薄型化、小型化、薄的开关电源在整个电源行业所占的比例将越来越大。
作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到并关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致开关稳压电源故障。而影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题，纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热，进而缩短使用寿命。因此，用于开关电源输入端滤波电路的铝电解电容器必须具有承受高纹波的能力，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗。
但本申请的发明人在实现本申请实施例的过程中发现：对于大功率和大电流输出的开关稳压电源用电解电容器，由于目前设计上的缺陷，导致电容器芯子发热厉害，高温使得氧化膜的介电性能下降，对于原来介质氧化膜有缺陷、漏电流和损耗角正切值较大的铝电解电容器，高温使得氧化膜的介电性能进一步劣化，使得电容器漏电流增大及损耗角正切值增加，导致电容芯子发热进一步加剧，如此不继循环，最终将电容器烧毁。现有的铝电解电容器无法满足目前开关电源的小型化，大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，能够承受更大的纹波电流，ESR更小，能够满足目前开关电源的小型化，大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装的要求。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质5%-25%，添加剂1%-10%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水。
进一步地，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为（3-5）：（2-4）：（1-3）：（0.5-1.5）。
进一步地，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为（4-6）：（2-4）：（1-3）。
进一步地，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为（10-15）：（1-6）：（1-4）：（0.5-1.5）。
进一步地，所述电极箔采用高比容且低阻抗的铝箔。
进一步地，所述电极箔采用比容≥100μf/cm2，阻抗≤0.025Ω的铝箔。
进一步地，所述电极箔采用比容为110μf/cm2，阻抗为0.011-0.013Ω的铝箔。
进一步地，所述电极箔的制造方法包括将铝箔依次进行去极化处理、耐水合处理、高温焙烧、修复化成处理和烘干处理。
进一步地，所述去极化处理和耐水合处理中采用磷酸盐水溶液。
进一步地，所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述束腰的直径比标准要求值缩小0.2mm。
本发明具有如下有益效果：
本发明中，通过研制高性能的电解液，选择适宜的电极箔和控制密封，所制得的铝电解电容器阻抗低（当外形尺寸为φ10×20mm时，在20℃，100kHz条件下的最小阻抗可达0.011Ω），能够承受更大的纹波电流，能够满足目前开关电源的小型化，大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装的要求。
本发明人对电解液的配方进行改进，对电解液中添加的溶质、溶剂、及添加剂的组分进行了筛选设计，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，即采用乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸作为溶质，采用乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水作为溶剂，采用钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸作为添加剂，通过合理调控各组分的添加量，多种组分协同作用，能大大减小电容器产品的ESR值，提高耐纹波电流能力，减少电容器产品的发热，延长使用寿命。
具体实施方式
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
如无特殊说明，本说明书中的术语的含义与本领域技术人员一般理解的含义相同，但如有冲突，则以本说明书中的定义为准。
本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分。术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。术语“包含”还包括术语“由…组成”和“基本上由…组成”。本发明的组合物和方法/工艺包含、由其组成和基本上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组分、步骤或限制项组成。
在说明书和权利要求书中使用的涉及组分量、工艺条件等的所有数值或表述在所有情形中均应理解被“约”修饰。涉及相同组分或性质的所有范围均包括端点，该端点可独立地组合。由于这些范围是连续的，因此它们包括在最小值与最大值之间的每一数值。还应理解的是，本申请引用的任何数值范围预期包括该范围内的所有子范围。
正如背景技术所描述的，现有技术中的铝电解电容器存在ESR值大，承受纹波电流能力不强的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液。
所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质5%-25%，添加剂1%-10%，余量为溶剂。
所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为（3-5）：（2-4）：（1-3）：（0.5-1.5），更优选地，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为4:3:2:1。
所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为（4-6）：（2-4）：（1-3），更优选地，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为5:3:2。
需要说明的是，所述硝基苯甲酸可以是对硝基苯甲酸，也可以是邻硝基苯甲酸，还可以是间硝基苯甲酸。
本发明中，添加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。本发明对钝化剂的种类不作特别限定，以本领域技术人员熟知的制备电解液过程中的钝化剂即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况进行选择和调整，作为举例，所述钝化剂为次亚磷酸铵，但不局限于此，
所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为（10-15）：（1-6）：（1-4）：（0.5-1.5）；更优选地，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为12:4:3:1。
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。电解液需要具有优良的电化学特性，不断提供氧离子，修补受损的氧化膜；还必须具有极佳的稳定性，不与组成材料发生反应或发生腐蚀作用。铝电解电容器的电解液主要由溶质、溶剂和添加剂组成。其中，溶剂是电解液最基础的组分，因为电解液的沸点、凝固点、蒸汽压以及黏度等性能都是由溶剂的性能决定的，除此之外，溶剂还直接决定着电解液的工作温度范围。电解液中的溶质分子与溶剂分子间作用力又直接影响溶质的溶解度和溶剂化程度，对电解液的电导率以及电容器的性能起着重要作用。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。
目前电解液多采用羧酸和多元醇，但发明人在实践中发现，采用这种电解液，羧酸和多元醇二者之间发生多种反应，如热解反应、酯化反应，这样电解液黏度变稠，电阻率增大，电容器电性能恶化，电容器ESR增大，耐纹波能力大大下降。本发明人对电解液的配方进行改进，对电解液中添加的溶质、溶剂、及添加剂的组分进行了筛选设计，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，即采用乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸作为溶质，采用乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水作为溶剂，采用钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸作为添加剂，通过合理调控各组分的添加量，多种组分协同作用，能大大减小电容器产品的ESR值，提高耐纹波电流能力，减少电容器产品的发热，延长使用寿命，能够满足目前开关电源的小型化，大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装的要求。
本发明中，所述电极箔采用高比容且低阻抗的铝箔。
电极箔的性能决定铝电解电容器的容量、漏电流、损耗、寿命、可靠性、体积大小等关键技术指标，亦是铝电解电容器中技术含量和附加值最高的部分，没有高质量的电极箔就不可能制造出高性能的铝电解电容器。目前，小型化的产品在设计上一般选择具有高比容的电极箔，但高比容必然会增加电极箔的电阻，不利于降低ESR值。为了解决小型化和低ESR值之间的矛盾，本发明的电极箔采用高比容且低阻抗的铝箔，在保证电极箔高比容的同时，尽可能降低电阻，通过这种设置，能大大减小电容器产品的ESR值，提高耐纹波电流能力。
作为优选，所述电极箔采用比容≥100μf/cm2，阻抗≤0.025Ω的铝箔；更优选地，所述电极箔采用比容为110μf/cm2，阻抗为0.011-0.013Ω的铝箔。
本发明中，所述电极箔的制造方法包括将铝箔依次进行去极化处理、耐水合处理、高温焙烧、修复化成处理和烘干处理。其中，所述去极化处理和耐水合处理中采用磷酸盐水溶液。
本发明对所述去极化处理、耐水合处理、高温焙烧、修复化成处理和烘干处理的具体工艺参数和步骤没有特别限制，以本领域技术人员熟知的上述工艺的参数和步骤即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求或质量要求进行选择和调整。
本发明中，所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述束腰的直径比标准要求值缩小0.2mm。
需要说明的是，针对各种外形尺寸的铝电解电容器，对于束腰的直径均具有一标准要求值，作为举例，对于外形尺寸为10×20（mm）的铝电解电容器，束腰的直径的标准要求值为8.7mm。而本发明中，束腰的直径为8.5mm。
需要说明的是，所述束腰为所述的壳体的侧壁与所述胶塞对应位置上设置的向壳内凹入压紧胶塞的凹槽，所述束腰的直径是指壳体直径与所述凹槽深度的两倍值之间的差值。
本发明对所述束腰的截面不作特别限定，作为优选，所述束腰的截面为矩形或梯形。
本发明中，控制组装工序，一方面，采用气密性能更好的丁基橡胶密封胶塞，另一方面，控制封口束腰的质量，使封口束腰的深度更深。通过上述设置，电容器的密封性更好，电解液的泄露就可以大幅减小，大大延长了铝电解电容器产品的使用寿命。
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
一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质18%，添加剂5%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为4:3:2:1；所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为5:3:2；所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为12:4:3:1。
所述电极箔采用比容为110μf/cm2，阻抗为0.012Ω的铝箔。
所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述铝电解电容器的外形尺寸为10×20mm，所述束腰的直径为8.5mm。
实施例2
一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质5%，添加剂1%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为3：2：1：0.5；所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为4:2:1；所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为10:1:1:0.5。
所述电极箔采用比容为120μf/cm2，阻抗为0.011Ω的铝箔。
所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述铝电解电容器的外形尺寸为10×20mm，所述束腰的直径为8.5mm。
实施例3
一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质 25%，添加剂10%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为5:4:3:1.5；所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为6:4:3；所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为15:6:4:1.5。
所述电极箔采用比容为110μf/cm2，阻抗为0.013Ω的铝箔。
所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述铝电解电容器的外形尺寸为10×20mm，所述束腰的直径为8.5mm。
实施例4
一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质10%，添加剂6%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为4:2:2:1；所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为4:3:3；所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水，所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为11:3:2:1.5。
所述电极箔采用比容为130μf/cm2，阻抗为0.015Ω的铝箔。
所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述铝电解电容器的外形尺寸为10×20mm，所述束腰的直径为8.5mm。
测试例
按照实施例1-4分别制备规格为16V1000 uF，外形尺寸为φ10×20（mm）的铝电解电容器，每个实施例各制造20个，经测试，在20℃，100kHz条件下的平均阻抗分别为0.011Ω、0.0119Ω、0.0117Ω、0.0115Ω。
采用本方案的铝电解电容器最大容许纹波电流达到2A（105℃，100kHz）。
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 (6)
1.一种开关电源用超低阻抗铝电解电容器，包括设置有开口的壳体，设于壳体内部的芯子和与壳体开口密封连接的胶塞；所述芯子由电极箔和电解纸层叠卷绕而成，所述芯子浸有电解液；其特征在于，所述电解液包括以下重量百分含量的各个组分：溶质5%-25%，添加剂1%-10%，余量为溶剂；所述溶质为乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸，所述添加剂为钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸，所述溶剂为乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水；其中
所述乙二醇铵、甲酸铵、马来酸铵和邻苯甲酸的质量比为（3-5）：（2-4）：（1-3）：（0.5-1.5）；
所述钝化剂、磷酸二氢铵和硝基苯甲酸的质量比为（4-6）：（2-4）：（1-3）；
所述乙二醇、γ-丁内酯、丙三醇和水的质量比为（10-15）：（1-6）：（1-4）：（0.5-1.5）；
所述胶塞为丁基橡胶密封胶塞；所述壳体与胶塞的接触部位设置有束腰，所述铝电解电容器的外形尺寸为10×20mm，所述束腰的直径为8.5mm。
2.如权利要求1所述的开关电源用超低阻抗铝电解电容器，其特征在于，所述电极箔采用高比容且低阻抗的铝箔。
3.如权利要求2所述的开关电源用超低阻抗铝电解电容器，其特征在于，所述电极箔采用比容≥100μf/cm2，阻抗≤0.025Ω的铝箔。
4.如权利要求3所述的开关电源用超低阻抗铝电解电容器，其特征在于，所述电极箔采用比容为110μf/cm2，阻抗为0.011-0.013Ω的铝箔。
5.如权利要求2所述的开关电源用超低阻抗铝电解电容器，其特征在于，所述电极箔的制造方法包括将铝箔依次进行去极化处理、耐水合处理、高温焙烧、修复化成处理和烘干处理。
6.如权利要求5所述的开关电源用超低阻抗铝电解电容器，其特征在于，所述去极化处理和耐水合处理中采用磷酸盐水溶液。
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