工作电解液电阻率对电容器电性能的影响

李 雁 杨绍艳

（长春维鸿东光电子器材有限公司 吉林 长春 130012）

钽电解电容器广泛应用在军事通讯、雷达、导弹、航天、航空、石油等军用设备及高科技领域中。因此，它不仅需要有优良的电性能，还要求有较高的可靠性。 在钽电解电容器的设计制造中，选择合适的电解液，不仅能获得优良的电性能，而且能保证产品的可靠性。

设计工程师是按照所需电容器的各项参数来设计制造电容器的。选择合适工作电解液， 会使电容器具有较好的温度特性和频率特性，常温下具有更小的损耗和等效串联电阻，而且工作电解液对电容器的可靠性和寿命有很大影响。下面我们将详细讨论怎样根据电容器的工作电压及所需电参数来选择电解液，以及电解液的电阻率对电容器的影响。

1 设计分析和建立

银外壳的液体电解质钽电容器是以烧结多孔钽为阳极，再用电化学方法，在钽金属表面生成致密的Ta2O5做为绝缘介质，以含酸工作电解液为阴极，按一定的方法密封在银壳内组成了电容器。因此，它的电性能与使用的工作电解液的性质有很大关系。

图1

图2

图3

图1 显示了这种电容器结构组成；图2 为液体电解质钽电容器的照片。 这个电容器的尺寸为：直径为8mm，高为22mm；图3 显示了电容器分解后各部分的图片。

我们知道，在钽电解电容器中，因为阳极表面赋能了电介质，因此电容器能承受一定的击穿电压。 因此，电解电容器的工作电压依赖于阳极上覆盖的绝缘介质膜的厚度。 在钽电解电容器中，用电化学方式直接赋能在阳极表面的绝缘介质是Ta2O5， 绝缘介质膜的厚度与绝缘介质膜的击穿电压有着直接的关系，而且绝缘介质膜的厚度与氧化膜形成过程中所加的赋能电压的大小大致成比例。因此，用这种方法，我们可以生产出任何厚度的介质膜。 为了得到最大电容量，通常生产的介质膜尽量薄。但为了保证电容器的可靠性，我们在电容器的生产中，设计师设计的赋能电压通常为电容器工作电压的1.5～2 倍， 即Vf/Vw=1.5～2，而电容器的工作电解液的击穿电压达到1.3～1.4 倍即可。有时为了得到较低的漏电流，或者电容器使用在较高的温度环境下，介质膜厚度会设计得较厚，但是这样做的同时会减少容量。因此，在电容器设计中，电容器的设计赋能电压，决定了绝缘介质膜的厚度，而绝缘介质膜的厚度与击穿电压有很大关系，与电容器的使用可靠性有很大关系。

另一方面，在电容器的设计制造中，影响电解电容器的介质击穿电压的还有工作电解液的电阻率。经测试，我们建立了如图4 曲线。如图所示：工作电解液的击穿电压与工作电解液的电阻率之间呈现出抛物线的曲线关系。 这种曲线关系与阳极绝缘介质的厚度、赋能电压的大小、电解液的成份以及电解液的温度均无关。

图4

图5

根据工作电解液的电阻率和击穿电压之间的函数关系，我们建立了击穿电压随工作电解液的电阻率的半对数曲线图，为一条直线。 如图5 所示。在现生产中，我们可以根据这条曲线，来调整电解电容器的工作电解液的电阻率，以适应电解电容器所需的击穿电压值。

使用上述图线，我们对钽电解电容器工作电压为160V-100μF 的产品进行了实验试制。 先将电容器用钽粉压制成圆柱形钽块。 钽块尺寸为：Φ10×21mm，压块重：15200mg，经2000℃烧制30 分钟后，用电化学方法在钽表面生成氧化膜， 然后按照击穿电压是工作电压的1.35倍来计算，即：Vb=1.35Vw（Vb 为击穿电压，Vw 为工作电压）来进行计算得出：击穿电压Vb=216V，再从图5 曲线查出该电压下的工作电解液的电阻率约为8Ω.cm，电导率约为125mS。

我们先配制了硫酸的重量比为35%～40%的硫酸-硅溶胶溶液，再用乙二醇甲醚调整工作电解液的电导率，使工作电解液的电导率达到所需要的值，然后再计算出乙二醇甲醚的用量，这样就配制好了工作电压为160V 的电容器产品的工作电解液。 表1 记录了一组实验数据，其浸渍电解液按重量比为：硫酸30%，乙二醇甲醚为20%，其余是离子水。 其装配电解液按重量比为：硫酸浓度31%～35%，乙二醇甲醚浓度为19%～23%，其余为硅溶胶。待产品装配完成后，经老炼、筛选等各项试验测试，产品均达到要求。

表1 液体电解质钽电容器160V-100μF 产品三参数测试记录

2 结果与讨论

由上述表明，如果想要获得较高的击穿电压，则需要使用电阻率较高的工作电解液。 在电容器的实际生产中，工作电压一定要低于绝缘介质的击穿电压，这样才能保证电容器的可靠性。在钽电容器中，一般来说击穿电压至少是工作电压的1.2 倍，即：Vb=1.2Vw，在这里Vb是击穿电压，Vw 是工作电压。如果在实际中要减少电容器工作电压下的漏电流或增加产品的可靠性，只要增大Vb/Vw 的比例。 一旦这个比例固定了，就能测算出击穿电压值，再根据图5 曲线就能够找到所用工作电解液的最低电阻率，再来寻找与之相适应的工作电解液。 尤其在工作电压较高时，单纯的硫酸电解液很难满足电压的要求，因此，据此图线可调整电解液的击穿电压，以满足要求。另外，我们知道电容器的ESR 主要来自于电解液，因此，当电容器需要较小的ESR 时，我们也可以据此找到既满足击穿电压的要求，又能获得较高的电导率的电解液。综上所述，工作电解液的电阻率与击穿电压的关系曲线，对电解液的研究和电容器的现生产都有着较大的意义。

另外，要提高电容器在使用中的可靠性，只是单纯提高赋能电压来增加氧化膜厚度是不够的，还应保证电容器工作电解液的电阻率在允许范围内。

在电容器的设计中，为提高电容器的可靠性或某些电性能，设计师通常会将电容器的赋能电压设计很高，而很容易忽略相适应的工作电解液电阻率的大小，尤其中、高压产品和高温工作的电容器，赋能电压和电解液的电阻率的配合设计尤为重要, 单纯提高赋能电压设计，有时是毫无意义的。国外的液体钽电容的赋能电压设计值是工作电压的1.25 倍，国内通常在1.5～2 倍，甚至更高。

但是，如果选用较高电阻率（即较低电导率）的电解液，虽然提高了击穿电压，同时它也增大了电容器的等效串联电阻，增大了损耗。正因为这个原因， 尽量选择能允许的最高电导率的工作电解液是重要的，尤其是所设计电容器的损耗和等效串联电阻Res 要求较低时。

由于当温度增加时电导率通常是升高的，因此，需要考虑电容器在使用温度下电解液的电导率值。

在电容器的设计中， 通常低压钽电解电容器使用的工作电解液是重量经为38%的硫酸溶液，其常温下的电阻率大约为：850ms,其击穿电压大约为120V, 适用的工作电压在63V 以下，85℃时的电导率大约在1500ms，-50℃时的电导率大约在50ms。 这种电解液在常用工作电解液中，它的电导率是最高的，因此，用它做工作电解液，能获得较低的损耗，并且在低于-55℃时仍能保持液体状态，这种材料最困难的是密封，现电容器生产厂已基本使用了硅溶胶代替去离子水， 这种工作电解液不分层，损耗小，硅溶胶与硫酸稳定共存，温度特性好，且易于密封。

另外，对于高于100V 工作电压的电容器，单纯硫酸的工作电解液的电导率太高了，会降低电解液的击穿电压。 如果减少酸浓度来降低电导，则该电解液的凝固点会升高，会使电容器的低温工作性能劣化。 因此，对于工作电压超过100V 的电容器，不能使用这种电解液，而应提高其电阻。 因此，对于工作电压较高的电容器，可根据曲线图5找到对应的工作电解液的电阻率， 再通过合适的方法调整电阻率，使之达到所需数值。目前，各厂家采用的方法为：在含有硫酸的工作电解液中加入乙二醇甲醚或乙二醇提高其电阻率，使电解液的电阻率达到我们需要的数值。有国外报到，工作电压较高（160V 以上）的钽电容是先配制乙二醇的水溶液，然后再用硫酸调整电导率配制而成。

3 结论

电容器的的介质膜的击穿电压不仅与氧化膜的厚度有关，还与工作电解液的电阻率之间有一定的关系。 即：电容器介质膜的击穿电压与电容器的工作电解液的电阻率之间遵循一种函数关系。这种关系不仅与阳极绝缘介质的厚度无关，而且与电解液成份、温度等无关。 即:不管绝缘介质膜有多厚，不管电解液的成份是什么，如果选用的工作电解液的电阻率不够，则阳极介质膜仍会被击穿。

因此，在电容器的设计中，对于不同工作电压的电容器，应选择不同电阻率的工作电解液，以保证电容器绝缘介质膜的击穿电压在高于其工作电压的合适范围内， 并同时具有较低的损耗和等效串联电阻Res。对于较高电压的电容器可加入某种化学物质，通过调整电解液的电阻率找到合适的工作电解液。

同时工作电解液还应满足下面的条件：

1）工作电解液与电容器其它电极材料必须保持电化学稳定和共存，且电解液还应该包含足量的H+离子，以保证做为电容器阴极的需要。

2）工作电解液的沸点和冰点分别远高于工作温度的上限值和远低于工作温度的下限值，即在电容器的工作温度范围内保持液体状态。

3）工作电解液的粘度适中、浸润性较好。

4）在保证电容器击穿电压的前提下，电解液的电导率尽量高。

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