液体铝电容（2）——阀金属与电容极性

液体铝电容（2）——阀金属与电容极性

阀金属

在很多资料中都会提到电解电容的电极一般采用阀金属，但是关于其定义却比较模糊，从用于电解电容的金属来看，阀金属大概有以下几种特性：

1、能生成致密的、绝缘的氧化膜；

2、其氧化膜具有自愈特性；

3、其氧化膜具有单向导电性；

4、具有较高的介电常数；

在这几个特性中，与“阀”这个名称最接近的特性便是单向导电性了，在我看到这个概念时，第一反应是电解电容的工作原理里利用了这一特性，但是无论是何种电容，在其正常工作时，都不会有电流实际地流过其绝缘介质层，外在电路所看到的电流，不过是电容不断充放电所表现出来的一种现象，即然没有电流会流过这一层氧化膜，那么强调其具有单向导电性有何意义呢？

从结果上看，阀金属的单向导电性导致了电解电容具有极性，以铝电容为例，当在Al₂O₃与电解液界面施加正向电压时，Al₂O₃会直接导通，这也就是铝电容等效电路中，表征阀金属的二极管的导通方向为从电解液指向正负极的原因。考虑铝电容承受外部正压的情况下（正极引脚接高电压，负极引脚接地或低电压），此时，阴极氧化膜被短路，阳极氧化膜承受几乎所有电压，因为阳极箔经过化成处理，其氧化层足够厚，能抵抗较高的电压，因此铝电容可正常工作。但是当铝电容承受反压时，阳极氧化膜被短路，阴极箔未经过化成，其氧化膜只能承受1~2V的电压，容易导致氧化膜被击穿，漏电流迅速增大，从而导致电容发热、电解液被电解释放出气体，最终导致电容开阀失效。 

阀金属的其他几个特性都对电解电容带来了较好的特性，如生成致密、绝缘的氧化膜可以防止铝箔被腐蚀，起到了介电层的作用，并且氧化膜的厚度较薄，且介电常数较高，有利于提升电容容量；而氧化膜的自愈能力是指当氧化膜发生破损，该区域的漏电流会增加，在电场的作用下，电解液中的氧离子或氢氧根离子会向阳极聚集，失去电子的铝离子与氧离子结合，形成新的氧化膜，这使得电解电容的工作更为可靠。

所以，强调阀金属的单向导电性并不是因为其是电解电容工作原理中不可或缺的部分，而是因为其给电解电容带来了一个不算太好的特性，相当于使用阀金属的副产物，强调此特性更多是为了强调电解电容拥有极性，这点在电解电容应用时需特别注意。

图1 电解电容的结构示意图

为什么是铝？

除了铝之外，钽、铌、钛等也属于阀金属，特别是钛，其氧化膜的介电常数相对较高，理论上来说，可以获得更大的容量。那么为什么铝在电解电容中应用最为广泛呢？主要原因还是铝相对来说比较容易获得，成本较低，并且其工艺较为成熟，氧化膜厚度可随着化成电压调整到，以适应更高的耐压要求，并且其具有自修复能力及相对高的耐反压能力。而钽电容耐压能力较弱，对纹波电流的要求也较高，失效时容易产生明火，并且不易获得。铌电容作为钽电容的替代，技术成熟度低，应用范围较小。而氧化钛的介电常数较高，但其介电常数不稳定，氧化铝的单向导电性机械强度也较低，氧化膜的厚度在工艺上较难控制，且在酸性条件下容易还原，导致漏电流的增加，成本也比较高。因此铝成了电解电容电解材料的首选。 

图2 致密的氧化铝膜

能否消除铝电容的极性？

前述，阀金属氧化膜的单向导电性是造成电解电容存在极性的原因，那么是否有办法将这极性消除呢？理论上说，选用氧化膜不具有单向导电性的金属即可。

如铬在常温下也能生成一层致密的氧化膜，但是其氧化膜的介电常数很低，且铬本身也比较脆，延展性比较差，所以其加工难度比较大。同时，铬是重金属离子，对环境不友好，成本也相对较高。那么继续使用阀金属呢？前述，电解电容之所以有极性限制，是因为氧化膜的整流特性及阴极箔的反向承压能力比较低，那么将阴极箔改成和阳极箔一样的材料，这样一来，在承受反压的时候，阴极箔上的氧化层也不能被击穿，不就实现无极性电容了吗。但是，这样做会使得电解电容的容量会下降为原来的一半，ESR也会大大增加，导致电容性能的下降。相比之下，追求无极性的电容所需花费的性能上的代价就过于高了。

图3 阴极箔也采用阳极箔以消除极性