液体铝电容（8）——电解液和电解纸

电解液

电解液是铝电解电容器中实际的阴极，要求其电导率高，以降低等效串联电阻（ESR）；闪火电压高，以提升耐压性能；饱和蒸汽压低，以减少电解液的蒸发，延长电解电容的寿命；最后还需要物化特性稳定，不腐蚀其他原材料。电解液的成分主要包括溶剂、溶质和各种添加剂。溶剂的作用是溶解溶质与添加剂，决定了电解电容的使用温度范围。一般要求其具有较宽的温度范围、沸点高、凝点低、较低的饱和蒸汽压和粘度，以及较高的电容率和较小的介质损耗。常用的溶剂有乙二醇、二甲基甲酰胺（DMF）、γ-丁内酯（常用于提升耐低温特性）等。溶质的主要作用是能够提供足够的离子，并保证有足够的电解率，同时能对阳极箔氧化膜进行修复，要求其电离度高、阴离子氧化能力强且化学性质稳定。常用的溶质有有机弱酸及其铵盐，如乙二酸铵、五硼酸铵、癸二酸铵、壬二酸、壬二酸氢铵、庚二酸、辛二酸、苯甲酸铵、硼酸及其盐类等。添加剂主要是为了改善电容器的性能，主要包括如磷酸（水合抑制剂，抑制铝箔的水合反应）、大分子有机酸、含磺酸根的化合物及高聚物（改性剂，提高闪火电压）、顺丁烯二酸铵、亚磷酸铵（降低电阻率）以及硝基苯甲酸、对硝基苯甲醇、对硝基苯酚（吸氢剂，消除修补氧化膜时产生的氢气）等。

电解液的体系也经历了几次演变，早期较多采用硼酸加乙二醇体系，该体系的电解液工作温度不高（85°C以下），高温下硼酸和乙二醇会发生酯化反应及硼酸脱水会导致铝箔腐蚀并产生氢气，严重时会导致电容器开阀，因此现在已基本不使用。为降低并控制水的含量，以获得水含量稳定、阻抗低的电解质，直链羧酸铵盐加硼酸加乙二醇的体系被采用，该体系的主要问题是低温下直链硼酸铵盐会结晶析出，低温性能不佳，且其可溶性较低，电阻率较大。因此现在一般采用支链硼酸铵盐加乙二醇体系的电解液，其具有耐高温、高压、耐大纹波、长寿命，具有良好的自修复能力等优点，性能较佳。 

图1 电解液成分（参考CN105938760A）

水也是一种优良的溶剂，在电解液中可以使溶质很好地电离出离子，并保证电解液有足够的导电率，对铝箔及电解纸的浸润性很好。在电解过程中，水可以提供O2-与修补氧化膜，提高氧化效率。因此，在电解液中也会加水调节电解液的特性。然而，含水量较高的电解液也有明显的缺点，如沸点较低，高温时饱和蒸汽压较大，容易造成产品鼓底；在高温时，水容易与铝及铝的氧化膜发生水合作用，缩短电容器的寿命；水分含量较高的电解液闪火电压也会降低，导致电容器的耐压能力下降，因此中高端产品的电解液需要严格控制水的含量，以维持较高的工作电压。部分文献指出，在中高压电容中，应优先考虑使用无水体系的电解液。

针对水合抑制剂，有文献提出，由于过量的磷酸盐类水合抑制剂会使铝箔的氧化膜产生腐蚀，所以其添加量不能太多，这就导致电容器在长时间运行时仍有较高的水合失效风险。针对此问题，可以采用乙二胺四乙酸（EDTA）作为螯合剂，使其与金属离子反应，形成稳定的水溶性金属螯合物。在含有水溶性金属螯合物的水溶液中加入一定量的磷酸类化合物，使溶液中生成磷酸根离子或次磷酸根离子，两者与水溶性金属螯合物进行反应后会形成吸附有磷酸根离子或次磷酸根离子的水溶性金属螯合物的结合体，将其加入电解液中，可在电解液中形成一种磷酸根离子的缓释体系。该缓释体系可以在电解液中缓慢释放出磷酸根离子（次磷酸根离子也会被氧化成磷酸根离子），这样既可避免此时电解液中磷酸根离子过多对铝箔产生的腐蚀，又可使电解液在中长期保持适当量的磷酸根离子，从而在更长的时间内有效阻止水合作用的发生，改善水合问题。 

图2 水合失效导致电解纸与铝箔粘连

电解纸

电解质在铝电解电容器中主要起到吸附电解液、均衡电解液分布，并分隔阴极箔和阳极箔的作用。一般而言，电解纸主要采用马尼拉麻纤维、木质纤维、剑麻纤维、西班牙草纤维、棉纤维等材料制成。其中，马尼拉麻纤维应用最广，其纤维长、抗拉强度大、吸收性能好、纯度高、电气性能优良，但价格较高、密度低；剑麻纤维和西班牙草纤维类似，其纤维长度较马尼拉麻纤维短，但纯度高、成本较低，一般与马尼拉麻纤维制成复合纤维材料的电解质；木质纤维耐压、耐毛刺能力较强，价格低，但吸水性和电气性能较差；棉纤维吸收性好、温度性能优良，但纤维抗拉强度低。当前一般都采用复合纤维材料。

电解纸的选用需要考虑纸张的机械强度、耐压能力、吸收电解液的能力及ESR等因素。当前电容向小型化发展，这对电解纸的厚度也提出了更高的要求，电解纸越厚，耐压能力越强，但损耗也更大，在相同的含浸时间里，其浸透性较差，但浸透后吸收的电解液更多，有利于提高寿命。另外，电解质厚度越厚，芯包尺寸越大，不利于电容的小型化。电解纸密度与厚度的影响较为类似，密度大的耐压能力强，但浸透性差。此时可以选用同厚度的双层纸进行改善。对于电性能及吸收能力，马尼拉麻纤维表现较好，因此在低压、对ESR要求较高的产品中选用较多。木质纤维耐压能力强，但吸湿能力差，在高压产品中使用较多。 

图3  电解纸