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鋁電解電容器的現狀與發展

發布日期:2015-09-06


電容器是使用最廣,用量最大,且不可取代的電子元件,其產量約占電子元件的40%,而鋁電解電容器又占三大類電容器(電解電容器、陶瓷電容器、有機薄膜電容器)產量的36.8%。電解電容器是10年來我國發展速度最快的元件之一,目前,國內電解電容器的年生產總量接近250億只,年平均增長率高達28%,占全球電解電容器產量的1/3。在發展過程中,鋁電解電容器也有來自集成電路、整機電路的改進和在高壓、高頻、長壽命、小容量應用領域中其它電容器(如多層獨石陶瓷電容器、金屬化薄膜電容器、鉭電解電容器等)的相互滲透。鋁電解電容器自身也在不斷改進、完善和創新。尤其是隨著科學技術的發展,社會需求的提高,環境的改善,新型整機的誕生,使小型化、片式化和中高壓大容量鋁電解電容器的應用領域不斷拓寬,需求量越來越大。因此,鋁電解電容器不僅不會萎縮,而且還具有更強的生命力和更廣闊的發展空間,會有更快的增長速度。
1 鋁電解電容器的結構與性能特點 鋁電解電容器是由經過腐蝕和形成氧化膜的陽極鋁箔、經過腐蝕的陰極鋁箔、中間隔著電解紙卷繞后,再浸漬工作電解液,然后密封在鋁殼中而制成的。其性能特點如下所述。

1.1 單位體積電容量非常大

電容器的電容量C=ε0εrS/d, 其中,ε0是真空電容率(常數),εr是介質材料的相對介電常數,S是電極的有效面積,d是介質材料的厚度。對于鋁電解電容器,εr=8~10。陽極鋁箔和陰極鋁箔可以通過腐蝕使其表面積增加幾十倍到幾百倍。d=αVf,α≈1.4nm/V,Vf=10V~600V,則d約為0.014μm~0.9μm,比其它電容器小幾倍到幾百倍。因而,電解電容器的單位體積電容量比其它電容器大幾倍到幾十倍。

1.2 額定容量非常大 由于電解電容器采用卷繞結構,很容易擴大體積,因此,可以很容易地做到幾萬微法甚至幾十萬微法的額定電容量。

1.3 具有自愈作用 由于電容器內部有電解液,因此,在工作中,電容器陽極鋁箔上的電介質一旦發生局部性破壞,電解液中的O2-或OH-或酸根離子在電場力的作用下迅速到達破壞位置,將破壞位置堵塞住,并將破壞的氧化膜修復,使電容器恢復正常狀態。

1。4 工作電場強度高 由于陽極氧化膜在形成過程中每伏特生長大約1。4nm,即陽極氧化膜生長時的電場強度約為7×107V/cm,其工作狀態下的電場強度約為5×107V/cm,這個值遠遠大于陶瓷電容器和薄膜電容器的工作電場強度。

1.5 價格優勢 由于制造鋁電解電容器所使用的主要原材料都是普通工業材料,所用設備屬于一般工業設備,自動化程度也較高,因此制造成本相對較低,尤其是單位容量的制造成本比其它類型的電容器具有壓倒性優勢。

2 鋁電解電容器存在的缺點

2.1 有極性和有漏液的可能性 由于電解電容器存在極性,在使用時必須注意正負極的正確接法,否則不僅電容器發揮不了作用,而且漏電流很大,短時間內電容器內部就會發熱,破壞氧化膜,隨即損壞。 鋁電解電容器用鋁殼和橡膠塞密封,當工作電解液受熱汽化后,容易從引線的根部滲出。電容器長期工作后,導致電解液干涸,使電容器失效。這是鋁電解電容器的主要失效模式之一。

2.2 損耗角正切值較大,溫度、頻率特性相對較差 工作電解液在鋁電解電容器中起著陰極的作用,由于工作電解液是離子導體,而離子的運動速度比電子的運動速度慢得多,導致工作電解液的電導率比電子導體的電導率低。再浸電解紙后其電導率進一步下降,因此,工作電解液所引起的等效串聯電阻比其它電容器的金屬電極所引起的等效串聯電阻大,從而導致鋁電解電容器的損耗角正切值較大,且頻率特性相對較差。另外,由于液體材料的電導率受溫度的影響較大,所以,鋁電解電容器的溫度特性也相對較差。

2.3 易老化 工作電解液盡管采用的是弱酸/弱堿鹽作為電解質,水和有機溶劑作溶劑,但仍然具有一定的腐蝕性,對電容器的陽極氧化膜和橡膠塞有一定的侵蝕作用。另外,電解質鹽與溶劑之間隨著時間的推移也會發生一定的化學反應。這些現象都將導致電容器的電性能劣化。 總之,盡管鋁電解電容器具有一定的缺點,限制了它在某些場合的應用,但是由于它的高容量和價格優勢等顯著的優點,使它在同陶瓷電容器、薄膜電容器、鉭電解電容器的競爭中牢牢地占據著30%以上的份額。且隨著汽車電子、變頻技術等電力電子技術的發展,其所占比率將有大幅度上升的趨勢。

3 鋁電解電容器的生命力 隨著科學技術的發展,尤其是集成電路(IC)和超大規模集成電路(VLSI)的發展,整個電容器行業能否持續發展,甚至還有沒有生存空間受到人們的懷疑,然而,從1987年以來,全球電容器的生產量每年以20%以上的速度增長,使這種懷疑不攻自破。實踐證明鋁電解電容器具有極強的生命力。

3.1IC的發展無法取代鋁電解電容器 一方面,由于IC的出現使部分小容量的電容器被集成到電路內部;另一方面,IC的發展使電路系統的工作頻率大大提高,導致鋁電解電容器在部分電路中被別的電容器所取代。但是,IC電路中的電源部分卻始終離不開電解電容器。另外,鋁電解電容器自身性能的提高也向其它電容器的應用領域擴展。

3.2 整機電路的變化只改變了鋁電解電容器的型號 開關電源的體積不斷縮小,能量轉換效率不斷提高,使得開關電源的工作頻率不斷提高(從20kHz到500kHz,甚至達到1MHz以上),導致其輸出部分的高頻噪聲加大,為了有效濾波,必須使用超低高頻阻抗或低等效串聯電阻(ESR)的電容器。

3。3 其它電容器與鋁電解電容器的相互補充 多層獨石陶瓷電容器使用的陶瓷介質的不斷開發,介電常數不斷提高,再加上其高頻性能好以及片式化等有利條件,使其在低壓小容量的應用場合具有一定優勢。 金屬化薄膜的制備技術不斷提高,使薄膜的耐壓性大大提高,另外,薄膜電容器具有可靠性高、ESR小等優點,使薄膜電容器在中高壓小容量的使用中有一定特長。 鉭電解電容器不僅具有優良的溫度和頻率特性,而且又具有片式化的優勢,在低壓中小容量的應用領域有一定的增長。 雙電層電容器的材料及制備技術不斷進步,大大降低了其ESR,使其在低壓大容量的應用領域具有競爭性。 由此可見,中高壓大容量鋁電解電容器并沒有受到其它電容器的沖擊,具有其獨特的優勢。另外,在低壓小容量方面雖然存在一定的競爭,其出路在于加快相關技術的研究開發,加強和繼續擴大鋁電解電容器現有優勢,克服其自身的缺點。特別是近幾年來,鋁電解電容器已在多方面取得了長足的突破性進展,實現了質的飛躍。不僅其市場份額沒有縮小,相反,其應用領域不斷擴寬,呈現出高速增長,迎來了許多前所未有的發展機遇。

4 鋁電解電容器迎來難得的機遇

信息時代的到來,知識經濟的出現,不僅給全球經濟帶來了福音,也給電子工業帶來前所未有的繁榮,同樣,鋁電解電容器也得到空前的發展。


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