朱舒柏
广东风华高新科技股份有限公司利华电解电容器分公司
摘要：综述了导电高分子钽电解电容器的最新研究进展。比较了导电高分子钽电解电容器和二氧化锰钽电解电容器在结构、制造工艺和性能方面的差别。导电高分子膜的形成工艺对钽电解电容器性能影响很大。改进和开发新型阴极材料是降低钽电解电容器等效串联电阻Res的重要途径。
关键词：钽电解电容器；聚吡咯；PEDOT；聚苯胺；导电高分子
引言
钽电解电容器会使用到阴极材料，但是阴极材料的使用会对电容器产生较多的负面影响，例如：影响电容量的大小，影响损耗角正切值的大小，使电容器的漏电流及温度特性受到严重影响，进一步使电容器的使用寿命缩短等。从钽电解电容器的应用性能提升角度考虑。有必要对新型阴极材料进行改进及开发。为了更进一步了解导电高分子钽电解电容器，鉴于此本课题围绕"导电高分子钽电解电容器"进行分析研究具备一定的价值意义。
1传统钽电解电容器及导电高分子钽电解电容器概述
（1）传统钽电解电容器。传统的钽电解电容器阴极材料主要为二氧化锰，而此类阴极材料容易存在一些较为明显的问题，总结起来包括：①二氧化锰的电导率偏低，约为0.1s/cm，从而导致钽电容器在高频性能上明显偏差。②在高温热分解的作用下，易导致钽阳极体的介质氧化膜遭遇破损，进而使电容器的质量受到严重影响，同时使工作电压难以有效提升，最终使电压和工作电压间的差距越来越大。③二氧化锰相关工艺存在复杂的特点，在工艺成本上偏，不符合经济性的原则。（2）导电高分子钽电解电容器。传统钽电解电容器的阴极材料为二氧化锰，而对于导电高分子钽电解电容器来说，则将二氧化锰取而代之，成为新型的一种钽电解电容器。对于导电高分子来说，能够基于室温的情况下进行合成工艺，无需经过热分解工艺，能够使对氧化膜造成的破坏得到有效降低，同时使中间形成次数降低。需了解的是，基于电导率层面分析，导电高分子为1~100s/cm，而对于二氧化锰的电导率则为0.1s/cm，两者比较导电高分子的电导率显著更高；所以导电高分子钽电解电容器在ESR与阻抗方面偏低，基于高频区域存在偏高的电容量及偏低的损耗角正切，能够使高频状态下的噪声有效降低，同时确保纹波电流容许量的提升。
2导电高分子钽电解电容器和二氧化锰钽电解电容器的比较
导电高分子钽电解电容器的结构和制造工艺都和二氧化锰钽电解电容器基本相同，结构上的差别在于用导电高分子取代二氧化锰作阴极材料，制造工艺上的差别在于用导电高分子的被膜工艺取代二氧化锰被覆工艺。由于导电高分子可以在室温的条件下合成，不需要热分解，减少了对氧化膜的破坏，这可以减少中间形成次数。由于导电高分子的电导率（1～100S/cm）远高于二氧化锰电导率（0.1S/cm），因此与二氧化锰钽电解电容器相比，导电高分子钽电解电容器具有极低的Res和阻抗，在高频区域具有较高的电容量和较小的损耗角正切，大大减小高频时的噪声，而且容许更大的纹波电流。由于钽电解电容器的氧化膜难免会存在裂缝、夹杂物或杂质，导致漏电流增大，因此电容器的自愈性很重要。对于液体钽电解电容器，瑕疵处的钽金属被氧化，形成新的氧化膜，具有自愈性。对于二氧化锰钽电解电容器，由于二氧化锰电阻较大，漏电流仅局限于瑕疵处，并产生热量，使得MnO2转变为Mn2O3，由于这个转换的温度比较低，而且Mn2O3的电阻要远高于MnO2，从而隔断漏电流。只要漏电流能产生足够的热量，这个转换就会发生。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另外生成的新生态氧，能直接修补破坏的氧化膜，使漏电流减校释放出的氧气也有可能起到氧塞头的作用，使漏电流减校这就是二氧化锰的"自愈"作用。但是如果氧化膜中存在大的瑕疵时，突然产生较大的漏电流，这时MnO2开始转变为Mn2O3，并释放出大量的氧气。在Mn2O3还没有来得及隔断漏电流时，漏电流已经使氧化膜受热。当氧化膜加热到足够高的温度时，无定型结构的Ta2O5就开始转变为晶态。氧化膜的缺陷迅速扩大范围，将导致更多的MnO2转变为Mn2O3。当钽金属加热到足够高的温度时，它就开始氧化，释放出更多的热量，最终导致钽电解电容器燃烧失效。虽然MnO2具有自愈性的优点，但是由于MnO2分子中含有大量的氧原子，它们在高的温度下也会使钽电解电容器因氧化燃烧而失效。导电高分子钽电解电容器也有两种可能的自愈方式。第一种是一个蒸发过程。聚合物具有较低的熔点和蒸发温度，如果瑕疵处的漏电流把聚合物加热到足够高的温度，它可以使聚合物蒸发，消除了聚合物和瑕疵的接触。第二种方法是在瑕疵处的聚合物受热吸氧，形成了一个电阻帽，隔断了瑕疵处的电流，这和二氧化锰的自愈方式一样。不论哪一种方法，都可以实现自愈。由于导电高分子中不存在大量的氧，不容易使钽电解电容器因燃烧而失效。
3导电高分子钽电解电容器的研究
3.1聚吡咯钽电解电容器
由于掺杂聚吡咯具有较高的电导率（10～100S/cm）、良好的稳定性和掺杂性，因此用聚吡咯来代替二氧化锰引起了许多钽电解电容器生产商的关注。日本NEC、Matsushita等公司对它进行了较系统的研究。最近NEC开发出的NEOCAPACITOR[2,13]，就是以聚吡咯为阴极材料的鉭电解电容器，其结构如图1所示。用聚吡咯代替二氧化锰作为钽电解电容器的阴极材料，可以使电容器具有极低的Res和阻抗，在1kHz以上的频率范围内，其Res低于传统MnO2钽电解电容器的1/5，这就大大减小了高频时的噪声，并可容许更大的纹波电流，另外也具有较小的漏电流，其原因是聚吡咯钽电解电容器从局部温度升高到300℃就开始绝缘，而MnO2钽电解电容器则要待局部温度升高到600℃左右才开始绝缘。
3.2聚苯胺导电高分子钽电解电容器
相关研究表明，聚苯胺在环境稳定性上优良，同时其价格优惠，因此被人们所关注。有研究人员将新型质子酸间苯二甲基二磺酸充当掺杂剂，然后通过化学氧化法的应用，制作聚苯胺，结果显示：①新型质子酸间苯二甲基二磺酸当作掺杂剂在电极的钽电容器的性能优良，表观电容高，约为90%；等效串联电阻低，为100kHz，＜200mΩ。②基于125℃空气条件下，进行1000h的热处理，电容量未降低，损耗角正切值未变高，使其优良的热稳定性有效展现。由此可见，聚苯胺导电高分子钽电解电容器具备优良的环境稳定性，值得借鉴及应用。
结语
改进和开发新型阴极材料是提高钽电解电容器性能的重要途径。用导电高分子如聚吡咯、PEDOT和聚苯胺代替传统二氧化锰作为钽电解电容器的阴极材料，可以降低电容器的等效串联电阻，提高电容器的高频特性。如何在结构复杂的钽阳极体上形成完整、均匀的高电导率和高稳定性聚合物膜层，同时尽量减少对介质氧化膜的破坏，是制造导电高分子钽电解电容器的关键所在，也是人们研究的重点。
参考文献
[1]KudohYasuo,AkamiKenji,MatsuyaYasue.Chemicalpolymerizationof3,4-ethylenedioxythiopheneusinganaqueousmediumcontainingananionicsurfactant[J].SynthMet.1998,98:65-70.
[2]陈国光.电解电容器[M].西安：西安交通大学出版社,1984.1-196.
论文作者:朱舒柏
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：高分子论文; 电解电容器论文; 阴极论文; 吡咯论文; 电导率论文; 电容器论文; 材料论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;