充电器专用超小型铝电解电容器研究

杨治安，陶艳军，刘 毅，肖 威，艾 亮



充电器专用超小型铝电解电容器研究

杨治安1,2，陶艳军1,2，刘 毅1,2，肖 威1,2，艾 亮1,2

（1. 湖南艾华集团股份有限公司，湖南 益阳 413000；2. 湖南省特种电容器工程技术中心，湖南 益阳 413000）

以适合快速充电用铝电解电容器为研究对象，通过对高比容阳极箔的研究，开发出电导率在2.6×10–3S/cm、闪火电压在500 V以上的高电导率、高闪火电压以及高温性能稳定的工作电解液；并对制造工艺进行优化与改善，研制出的充电器专用铝电解电容器体积只有常规产品的2/5，400 V产品在85 ℃温度条件下，最高可抗500 V的高电压，并且可通过3 Ω 2.0 kV的雷击浪涌试验，寿命达到3000 h（105 ℃）。

快速充电器；铝电解电容器；电解液；高电压；小体积；高比容

随着现代生活节奏的加快，智能手机对电量消耗很快，在电池容量没有取得突破性进展的情况下，对充电的速度要求越来越高[1-3]。目前技术主要从以下途径来提高充电速度：一方面提高充电电流（国内优质手机厂商充电电流可达5 A），另一方面提高充电电压。两者都能够实现快速充电，最新一代的手机充电器最高功率能够达到24 W以上。目前市场普通充电器一般在5 W左右，而快速充电器的功率是普通充电器2倍甚至更高[4-6]。随着功率的大幅度提升，需要电容量更大、耐纹波以及电压能力更高的铝电解电容器来满足应用要求。而在充电器体积并没有增大，甚至还有逐渐减小的情况下，如何研制更大电容量并且性能优良的铝电解电容器，成为目前各电容器厂商研究的课题[2]。表1为普通充电与快速充电器专用铝电解电容器的规格。

从表1可以看出快速充电器用铝电解电容器的电容量是普通充电器用铝电解电容器的3倍左右，但由于充电器的体积不变，电容器尺寸设计空间需保持不变。例如400 V 22 μF产品，正常设计产品尺寸在12.5 mm×25 mm；而快速充电器产品就需要在10 mm×16 mm的尺寸来满足电容量。就尺寸而言体积缩小到原来的2/5。由于快速充电器产品相较普通充电器产品功率成倍增大，快速充电器产品铝电解电容往往需要比普通规格具备更高耐电压以及抗大电流冲击的能力。

表1 普通充电器与快速充电器常用铝电解电容器的规格

Tab.1 The specifications of the commonly used aluminum electrolytic capacitors for common chargers and quick chargers

1 实验

1.1 实验原料

阳极箔、阴极箔、铝壳、工作电解液、引出线、电解纸、橡胶塞、胶带、PET热缩套管。

1.2 实验仪器

阳极箔的比容测试采用精密LCR数字电桥（YD2817A型），工作电解液的电导率、闪火电压、水含量及pH值分别采用电导率测试仪（DOS-307）、电解液闪火测试仪（TV-1000B）、水分测试仪（MKS-500）及pH测试仪（pH3210），电容器的漏电流使用漏电流测量仪（ZX6589），电容量和损耗角正切值使用精密LCR电桥（E4980A）测量。

2 电解液研究

应用于快速充电器用高压铝电解电容器的电解液，应当满足高温稳定性良好、闪火电压高、电导率高以及氧化效率高等要求，因此电解液必须选用合适的溶剂、溶质以及添加剂。

2.1 溶剂的选择

选用乙二醇为主要溶剂，并适当加入二甘醇高温稳定性溶剂，形成一种耐高温的复合溶剂。并加入少量的水作为溶剂以提高电解液的电导率。电解液组分及质量分数如表2所示。

2.2 溶质的优选

溶质在溶剂中需要保持一定的溶解性和电离度，并且能够提供修复氧化膜的含氧基团以及良好的高温化学稳定性。使用五硼酸铵、癸二酸铵、十二羧酸铵按一定比例混合作为溶质，具备较好的高温化学稳定性和氧化效率[8]。

表2 电解液组分及配比

Tab.2 Electrolyte composition and proportion

2.3 添加剂的选择

为了获得高电导率、高闪火电压的工作电解液，需要加入一定的添加剂。

电容器在老化与工作过程中，电解液会对阳极箔进行修复，而这个过程中会产生气体，主要为氢气；加入消氢剂后就不会因为氢气而产生鼓包或者爆炸。使用硝基苯甲醇等作为消氢剂，利用其具有电负极的基团与H+结合的特性，大大减少了氢气的产生量[9]。

为保证电容器在过压情况下，不会因为电解液闪火而导致电解纸击穿而短路。在电解液中同时加入一定比例的有机纳米硅溶液和二聚甘油聚氧乙烯醚，其能够吸附在阳极表面，提高阳极表面氧化膜的强度，从而提高闪火电压[10]。为了降低快速充电器产品的待机功耗，必须减小电容器的漏电流，在电解液中加入一定比例的硅钨酸，由于其具有强氧化性，能有效修复阳极箔表面氧化膜的损伤，抑制铝电解电容器漏电流的增大。

2.4 电解液性能

2.4.1电解液基本参数

表3是通过对电解液成分以及含量进行优化后的性能参数。优化后的电解液在闪火电压以及电导率上均有较大的提升。其中闪火电压从480 V提高到500 V以上，有效提升了电容器的耐电压性能；电导率从2.0×10–3S/cm提高到2.6×10–3S/cm，这大大降低了电容器的损耗，从而保证了产品的耐纹波能力，同时增强其抗电磁干扰能力。

表3 优化前后电解液性能参数

Tab.3 The performance parameters of electrolyte before and after optimization

2.4.2 电解液高温稳定性

针对电解液的高温稳定性，笔者做了以下研究：

（1）图1记录了105 ℃环境下优化前后电解质量随时间的变化数据。

（2）测量贮存在105 ℃环境中优化前后电解液随时间推移的闪火电压与电导率参数，详见图2与图3。

图1 电解液质量随时间推移的变化曲线

图2 优化前后电解液闪火电压变化曲线（105 ℃）

图3 优化前后电解液电导率变化曲线（30 ℃）

在105 ℃高温下，随着时间的延长，电解液质量持续衰减。在3000 h，优化后电解液质量损失率约为4%，低于优化前电解液。在不同时间段，两者的闪火电压与电导率参数变化趋势大致相同且其差值也基本保持恒定。但优化后电解液的初始参数值均较高，其变化率也就低于优化前电解液，这表明优化后电解液的稳定性优于优化前电解液。

3 电容器制作

除电解液外，影响铝电解电容器性能的还有诸多因素，现就阳极箔和工艺要求简要分析。

3.1 阳极箔选择

阳极箔是铝电解电容器的主要原材料，其纯度的高低很大程度上影响电容器的耐腐蚀性、漏电流等性能[7]。在优选高纯箔的条件下，采用新开发的腐蚀技术以及有机酸与无机酸混合而成的混酸化成工艺扩大了实效表面积的高倍率阳极铝电极箔。表4为新腐蚀化成工艺与常规工艺比容对比。从表格数据可以看出，在相同的耐压条件下，新工艺的阳极箔比容要比常规工艺的比容高10%以上。超高比容的阳极箔为小型化、大电容量的实现提供了基础。

表4 新工艺与常规工艺制备的阳极箔比容对比数据

Tab.4 Specific capacitance of anode foil with new process and conventional process

3.2 工艺要求

为了解决快速充电专用铝电解电容器因橡胶塞薄、电解纸薄且留边量小引起的漏液以及电容器短路问题，需要对整个工艺进行优化和改善，提高产品的寿命及可靠性。

（1）针对使用超薄电解纸容易由铝箔在裁切过程中产生的毛刺刺穿电解纸导致正负极短路的现象，采用正负箔错位卷绕的方式，将大幅度避免由箔边毛刺导致正负箔短路的情况。同时采用大电流烧毛刺工艺，在电容器卷绕成芯子的状态下，在引线两端加以较大电流，由于铝箔毛刺具有尖端放电效应，利用瞬间大电流烧除毛刺可以降低短路现象的发生并剔除不良产品。

（2）塞孔壁与引线铝梗的接触面积减小导致密封性能下降。在橡胶塞孔滴加密封油工艺，弥补了这一缺陷，从而确保了电容器的密封性。

（3）为剔除由于毛刺、擦伤等原因导致的抗电压能力下降，但电参数正常的电容器，在老化工序采用不同温区，提高电压老化的方式，可有效剔除有缺陷以及耐压不足的产品，提高产品的可靠性。

4 电容器性能参数

4.1 小体积参数

通过选用超高比容的阳极箔、超薄橡胶塞、高密度超薄电解纸以及优化后的电解液配方，采用优化生产工艺制备了符合快速充电器的小体积、大电容量的铝电解电容器，优化结果见表5。

表5 改善前后产品尺寸对比

Tab.5 Size difference before and after improvement

快速充电器专用铝电解电容器与同业及日系尺寸比对见表6。

表6 Aishi电容器尺寸对比表

Tab.6 Size comparison between Aishi samples and its competitors

4.2 性能试验结果

(1) 105 ℃高温纹波试验比对如表7所示。

表7 优化前后电容器纹波电流对比

Tab.7 Ripple current difference before and after improvement

注：105 ℃，无风，100 kHz下测试。

表7中不同产品在施加同等变化的纹波电流时，其中心温升表现出明显的差异。从温度变化来看，电容器中心温升均有所增加。但是随着纹波电流的递增，优化后电容器的中心温升明显低于其余产品，相对应地表明优化后的电容器能够承受的纹波电流也更大。

(2) 不同厂家400 V 12 μF产品在105 ℃高温负荷下参数比对如图4~6所示。

图4 电容量变化率对比

图5 损耗变化对比

图6 漏电流变化对比

根据以上参数随时间的变化可以看出：经优化快速充电器专用铝电解电容器与同业日本A公司同系列产品在105 ℃，3000 h高温负荷寿命试验中表现出近似的变化率，且在合格的范围内。而中国A公司电容器在2000 h后出现较大的损耗以及电容量损失。

(3) 105 ℃高温贮存试验比对如表8所示。

表8 不同厂商电容器贮存特性比较

Tab.8 Different vendors capacitor shelf life test

注：每组各10支电容器，数据取平均值。

试验产品规格为400 V 12 μF，不同厂家电容器在1000 h的105 ℃贮存后其特性所表现的趋势大体相同，但日本厂家与我司优化后的电容器在漏电流初始值和变化率上表现更加优异。

(4) 85 ℃高温过压试验比对如图7所示。

图7 85 ℃高温过压试验对比

在85 ℃的环境温度下，使用电解液优化前后的电容器，试验数量相同(10支)的产品。在每一电压档持续5 min后升压5 V直至所有电容器失效，记录各电压段失效电容器的数量。改善后的电解液较之优化前，高温耐电压能力从485 V左右提升到500 V以上。在大功率的快速充电器电路中，高耐电压使产品更能应对电网异常造成的高电压。

(5) 雷击浪涌试验

经过优化设计的应用于快速充电器的铝电解电容器在通过3 Ω 2.0 kV的雷击浪涌试验（如图8）后，参数仍然保持稳定。

5 结论

通过对小体积快速充电用铝电解电容器工作电解液的优化开发，获得电导率高、闪火电压高、高温稳定性好等优异性能的电解液。经对原材料的选用以及制造工艺的完善，制备出的电容器能够满足快速充电器对其小体积、耐大电流纹波、耐高温高压、抗雷击的要求，并且105 ℃高温负荷寿命达到3000 h。

图8 整机3 Ω 2.0kV雷击通过电容器波形图

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（编辑：曾革）

Study on subminiature aluminum electrolytic capacitorsdedicated for quick charger

YANG Zhian1,2, TAO Yanjun1,2, LIU Yi1,2, XIAO Wei1,2, AI Liang1,2

(1. Hunan Aihua Group Co., Ltd, Yiyang 413000, Hunan Province, China; 2. Special Capacitor Engineering Technology Center in Hunan Province,Yiyang 413000, Hunan Province, China)

Aluminum electrolytic capacitor dedicated for quick charger was taken as the research object. By studying the aluminum foils with high specific capacitance and developing working electrolyte which had high conductivity (2.6×10–3S/cm), high break-down voltage (over 500 V) and high temperature stability as well as optimizing the manufacturing processes, aluminum electrolytic capacitor whose size was merely two fifth of the conventional product was developed. Such capacitor, with the rated working voltage of 400 V, can subject to an overvoltage of 500 V under the ambient temperature of 85 ℃. It exhibits long lifetime of 3000 h at 105 ℃ and passes the surge test under the condition of 3 Ω, 2.0 kV.

quick charger; aluminum electrolytic capacitor; electrolyte; high voltage; miniature size; high specific capacitance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.001

TM53

A

1001-2028（2017）12-0001-05

2017-08-30

艾亮

工信部工业转型升级强基工程专项（No. 0714-EMTC02-5271）；湖南省战略性新兴产业科技攻关项目（No. 2015GK1045）

杨治安（1975－），男，湖南益阳人，研究方向为先进电子材料、电解质以及器件制备，E-mail: yza@aihuaglobal.com；

艾亮（1983－），女，湖南益阳人，工程师，研究方向为先进电池材料及器件制备，E-mail: jiyu-li@csu.edu.cn。

2017-11-30 14:11

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1411.001.html