CN114496575A - 复合介质铝电解电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合介质铝电解电容器，由阴极铝箔和阳极铝箔之间夹装隔离纸后卷绕形成，隔离纸中浸透有混合缓蚀剂的液体电解液，隔离纸的形成厚度为0.014μm‑0.9μm；阳极铝箔连接一阳极引条，阳极引条的表面形成有耐电压的保护膜；阳极铝箔的表面布设有经腐蚀工艺形成的微小隧道，以及，阳极铝箔的表面形成有有由氧化铝掺杂阀金属的氧化物均匀构成的复合氧化膜，阀金属包括Hf、Zr、Ti中的一种或多种。本发明通过在阳极铝箔表面形成的掺杂阀金属的复合氧化膜，则可大幅度地提高铝电极箔的比容，使得铝电解电容器的体积明显缩小，同时，复合氧化膜成功对氧化铝膜进行了改性，抑制了电解液中氯离子对氧化膜的腐蚀，提高了铝电解电容的寿命和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电容器领域，尤其涉及一种复合介质铝电解电容器。
背景技术
铝电解电容器以单位体积电容量大、体积小、重量轻、价廉而著称，在电子电路中被广泛用于低频滤波、音频耦合、隔直流、储能等。目前，电解电容器论数量占整个电容器行业的第二位仅次于陶瓷电容器，论产值则占据首位，有着举足轻重的地位。电解电容器肩负着大电容量的任务，但它又是难于集成化的元件，如何适应轻型、薄型和小型化的发展趋势，已成为电解电容器今后发展的重要课题。近年来随着信息、能源产业的飞速发展，显示器、快充电源、汽车电子等产业都给电容器市场注入了新的活力。可以预见，铝电解电容器的生产与销售在今后相当长的时间内不仅不会萎缩。反而将具有更强的生命力和更广阔的发展空间。为适应电子整机不断向小型化、高密度组装化方向迅速发展，研究人员需进一步研究探索缩小电容器体积，提高比容，延长寿命，降低等效串联电阻的解决方案。
传统铝电解电容器阳极铝箔表面覆有一层致密无孔的氧化铝薄膜，通常是通过电化学腐蚀以及化成工艺形成。这层氧化铝薄膜在电容器中作为电介质，它强烈影响着铝电解电容器整体电容、耐压值以及寿命。因为比电容与电极之间距离成反比，氧化膜越薄意味着两极之间距离越短，有利于比电容的增加。然而，通过扩大阳极箔表面积S和减小电介质层的厚度d来提高比容的技术已达到极限。
图1是电解腐蚀中氯离子穿透氧化膜的机理，由于氧化铝膜晶格中存在大量的氧空位，而具有侵蚀性的阴离子及水分子可以轻易的由这些氧空位穿过氧化膜层传递至氧化层/金属界面，从而进一步同金属原子反应，使点蚀萌生发生。也就是说点蚀萌生的控制步骤不是由氯离子以及水分子穿过氧化膜的过程决定的，而是由氧化铝膜/金属铝界面上含有的高缺陷浓度及高活性的铝原子的溶解速率及铝的络合物由氧化铝膜/金属铝界面迁移至主体溶液的速率决定的。
另外，在含侵蚀性阴离子的电解液中，氧化铝膜处于一种非稳定的状态，当铝箔电极电势突然改变时，非稳态的氧化铝膜易与电解液产生化学反应及电致伸缩现象，从而会导致氧化铝膜内形成残余应力。进一步的，残余应力会导致氧化铝膜上裂纹产生，即致使氧化铝膜被击穿。氧化膜被击穿处，电解液会直接同铝原子接触，同时氯离子及水分子中的氧原子会和铝原子发生竞争反应，使点蚀的生长发生
另外，铝电解电容经常出现电解电容腐蚀失效问题，其中400V以上高压铝电解电容失效尤为突出，综合其失效原因，主要表现为高温负荷下阳极腐蚀严重造成电容失效。所谓阳极腐蚀，是指电容在一定负荷条件下，经过一段时间，阳极引出条与盖板组件相连接的铝铆钉逐渐被电化学腐蚀，从而导致产品失效的现象。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明提供了一种复合介质铝电解电容器，解决现有的铝电解电容器比容的技术已达到极限和经常出现电解电容腐蚀失效的问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
一种复合介质铝电解电容器，包括芯包、包覆芯包的封装容器、密封封装容器的封装盖板；
所述芯包由阴极铝箔和阳极铝箔之间夹装隔离纸后卷绕形成，所述隔离纸中浸透有混合缓蚀剂的液体电解液，所述隔离纸的形成厚度为0.014μm-0.9μm；
所述阳极铝箔连接一阳极引条，所述阳极引条的表面形成有耐电压的保护膜；
所述阳极铝箔的表面布设有经腐蚀工艺形成的微小隧道，以及，所述阳极铝箔的表面形成有有由氧化铝掺杂阀金属的氧化物均匀构成的复合氧化膜，所述阀金属包括Hf、Zr、Ti中的一种或多种。
进一步的，所述复合氧化膜由含有阀金属的气相前驱体交替脉冲接触所述阳极铝箔并在沉积在所述阳极铝箔表面发生气固相化学吸附反应形成的一层或多层薄膜。
进一步的，所述阳极引条的保护膜是对所述阳极引条进行高压化处理后形成的保护膜。
进一步的，所述缓蚀剂为油酸钠。
进一步的，所述隔离纸的厚度为0.1μm-0.8μm。
进一步的，所述隔离纸的厚度为0.4μm-0.6μm。
本公开的技术方案具有以下有益效果：
本发明采用掺杂有阀金属的复合氧化膜作为电解电容的介质，复合氧化膜成分的相对介电系数大于A1203(A1203为8、HfO2、ZrO2均为20左右)，因此电解电容将拥有更大的比容。
掺杂有阀金属的复合氧化膜致密且均匀，可实现低电压规格电解电容比容水平提高，同时，由于电解电容在不工作状态下会因为电解液腐蚀而产生的漏电流，需要通过施加直流电压的方式加以修补，由于复合膜的绝缘性能良好，复合介质受电解液中的氯离子的腐蚀产生缺陷而产生的漏电流将大大减小。
在电解液中添加聚油酸钠作为缓蚀剂，有效缓解或者防止材料腐蚀的化学物质或复合物，其加入能够缓解腐蚀程度、减缓腐蚀速率，以延缓腐蚀的进程，提高产品的性能和延长产品的使用寿命，且直流腐蚀下电容器比容提升了20％左右，铝箔失重明显降低，腐蚀孔分布也更为均匀。
本发明对阳极引条进行高压化成处理，在引条表面形成耐足够电压的保护膜，提高引条的腐蚀性。
附图说明
图1为本说明书中电解腐蚀中氯离子穿透氧化膜的原理图；
图2为本说明书实施例中芯包部分结构的的剖视图；
图3为本说明书实施例中封装容器和封装盖板的结构示意图；
图4为本说明书实施例中复合氧化膜的微观结构图。
附图标记：
100、芯包；110、阴极铝箔；120、阳极铝箔；121、复合氧化膜；122、阳极引条；130、隔离纸；140、电解液；200、封装容器；300、封装盖板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2和图3所示，本说明书实施例提供一种复合介质铝电解电容器，包括
一种复合介质铝电解电容器，包括芯包100、包覆芯包100的封装容器200、密封封装容器200的封装盖板300；
芯包100由阴极铝箔110和阳极铝箔120之间夹装隔离纸130后卷绕形成，隔离纸130中浸透有混合缓蚀剂的液体电解液140，隔离纸130的形成厚度为0.014μm-0.9μm；
阳极铝箔120连接一阳极引条122，阳极引条122的表面形成有耐电压的保护膜；
阳极铝箔120的表面布设有经腐蚀工艺形成的微小隧道，以及，阳极铝箔120的表面形成有有由氧化铝掺杂阀金属的氧化物均匀构成的复合氧化膜121，阀金属包括Hf、Zr、Ti中的一种或多种。
其中，继续参照图2，图2是芯包100的部分结构的剖视图，阳极铝箔120、阴极铝箔110和隔离纸130相交叠经过卷绕成形，再浸透液体电解液140，通过隔离件连接安装在封装容器200内，其中阳极铝箔120的表面形成的微小隧道，是高纯铝腐蚀工艺形成的上千个微小的隧道，以增加与电解液140的接触面积，相应的，复合氧化膜121形成在微小隧道的内壁和铝箔的其他表面上，其截面呈现图1所示的曲折波浪形。电容器的正极是阳极铝箔120，介质是掺杂了阀金属的复合氧化膜121，电容器真正的负极是可传导的液体电解液140，阴极铝箔110为真正负极的电解液140的引出电极。隔离纸130起隔离阳极箔和阴极箔的作用，也是贮存电解液140的载体，除此之外还能起到修补复合氧化膜121的作用。
如图4所示，图4为本实施例中的复合氧化物的微观结构，在铝的氧化物中掺杂了阀金属后，复合氧化物形成了稳定的致密结构，且阀金属Ti，Zr，Hf等的氧化物的介电常数比铝氧化物高，铁电材料如钛酸钡、钛酸锶等具有几百到几千的介电常数，阀金属氧化物或铁电材料复合于铝阳极氧化膜中，形成的复合氧化膜121，则可大幅度地提高铝电极箔的比容，使得铝电解电容器的体积明显缩小，同时，复合氧化膜121成功对氧化铝膜进行了改性，抑制了电解液140中氯离子对氧化膜的腐蚀；同时致密的复合介质层更好的阻挡了电解液140与铝箔之间的渗透和离子交换，提高了铝电解电容的寿命和安全性。
在一实施方式中，复合氧化膜121由含有阀金属的气相前驱体交替脉冲接触阳极铝箔120并在沉积在阳极铝箔120表面发生气固相化学吸附反应形成的一层或多层薄膜。
其中，通过气固相化学吸附反应在阳极铝箔120中形成的复合氧化膜121，具有大面积均匀均匀、膜厚控制好、可低温生长、膜层质量高等突出优势。利用Hf、Zr、Ti等元素掺杂技术得到的高介电常数复合氧化膜121可以显著提升电解电容的比容，降低漏电流，同时延长电容器需要赋能的时间周期。
在一次实验中，复合氧化膜121的击穿场强约为7-8MV/cm，意味着其工作电场强度值将远远高于薄膜电容器与陶瓷电容器。
在一实施方式中，阳极引条122的保护膜是对阳极引条122进行高压化处理后形成的保护膜。
其中，传统铝电解电容阳极引条122常遭受氯离子腐蚀，产物有附加的氢气等，易使内压上升，造成鼓底爆炸，早期失效，成品率低，通过对阳极引条122进行高压化成处理，在引条表面形成耐足够电压的保护膜，提高引条的腐蚀性。
在一实施方式中，缓蚀剂为油酸钠。
其中，在电解液140中添加油酸钠作为缓蚀剂，其亲水基被金属表面活性点吸附，疏水基则在金属表面排列形成一层疏水膜而起到缓蚀作用，以延缓腐蚀的进程，提高产品的性能和延长产品的使用寿命。油酸钠作为对环境友好的缓蚀剂，可以减少对环境污染，在缓蚀剂内短时间浸泡的阳极铝箔120，由于缓蚀剂还没有在其表面形成完整的保护膜，而此时主要抑制电化学腐蚀的是氧化铝钝化膜，所以铝表面的模型主要由铝基体、钝化膜及表面与溶液之间形成的液膜组成，在铝基体上主要发生电化学腐蚀过程，等效电路为一个电容和一个电阻并联。浸泡初期，氧化铝钝化膜没有被Cl离子破坏，致密性好，所以其对Cl离子的扩散起到一定的阻碍作用，从而保护铝基体免遭腐蚀，等效电路在钝化膜中加一个有限扩散元件。长时间浸泡后的铝负极表面已经形成了一层缓蚀剂的保护膜。此时阴极和阳极电位极化都增加，腐蚀电流显著降低，金属的腐蚀速率大大降低，铝箔失重明显降低，腐蚀孔分布也更为均匀。
在一实施方式中，隔离纸130的厚度为0.1μm-0.8μm。
作为补充的，隔离纸130的厚度为0.4μm-0.6μm。
本发明采用的隔离纸130厚度通常为0.014μm-0.9μm，其他电容器电解质厚度基本是上述隔离纸130厚度的几十甚至是几百倍且介质介电常数较低，因此，本发明的铝电解电容器单位体积电容量远远高于其他电容器。由于经过腐蚀加工后的阳极铝箔120的表面积是其几何面积的数百倍，同时复合氧化膜121层也是小于微米的厚度，因此，电容器具有巨大的板面积和非常近的极板距离，可以获得非常大的电容量，电容量可达到3F的巨大容量，额定电压可以覆盖3-500V。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种复合介质铝电解电容器，其特征在于：
包括芯包、包覆芯包的封装容器、密封封装容器的封装盖板；
所述芯包由阴极铝箔和阳极铝箔之间夹装隔离纸后卷绕形成，所述隔离纸中浸透有混合缓蚀剂的液体电解液，所述隔离纸的形成厚度为0.014μm-0.9μm；
所述阳极铝箔连接一阳极引条，所述阳极引条的表面形成有耐电压的保护膜；
所述阳极铝箔的表面布设有经腐蚀工艺形成的微小隧道，以及，所述阳极铝箔的表面形成有有由氧化铝掺杂阀金属的氧化物均匀构成的复合氧化膜，所述阀金属包括Hf、Zr、Ti中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的复合介质铝电解电容器，其特征在于，所述复合氧化膜由含有阀金属的气相前驱体交替脉冲接触所述阳极铝箔并在沉积在所述阳极铝箔表面发生气固相化学吸附反应形成的一层或多层薄膜。
3.根据权利要求1所述的复合介质铝电解电容器，其特征在于，所述阳极引条的保护膜是对所述阳极引条进行高压化处理后形成的保护膜。
4.根据权利要求1所述的复合介质铝电解电容器，其特征在于，所述缓蚀剂为油酸钠。
5.根据权利要求1所述的复合介质铝电解电容器，其特征在于，所述隔离纸的厚度为0.1μm-0.8μm。
6.根据权利要求5所述的复合介质铝电解电容器，其特征在于，所述隔离纸的厚度为0.4μm-0.6μm。
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