测试高比容钽阳极容量的阴极装置的结构与材质

桂愉平

（宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000）

目前钽粉生产厂家出厂电性能普遍使用湿式电性能检测得到，先将钽金属粉末添加粘结剂压制成型，然后在高真空中烧结成带引线的多孔烧结体，接着将烧结体阳极赋能使钽金属表面形成介电层氧化膜Ta2O5，再进行湿式电性能检测。在检测阳极块的容量和损耗过程中一般使用HP－4284A型LC精密测试仪进行测试，同时还需要测试时使用的阴极装置。目前测试钽阳极块容量时使用的阴极主要有：（1）在铂片上电镀Pt黑的Pt黑阴极；（2）由多个钽粉压制烧结块捆绑在银片上制得的Ag－Ta阴极；（3）由更高比容的阳极赋能块做阴极。

根据电容的决定式C＝εS／4πkd可知，电容C与电介质常数ε、正对面积S成正比（即ε、S越大，C越大）；与距离d成反比（d越大，C越小）。若阳极表面积为S1，阴极表面积为S2，那正对面积S＝S1∩S2，即正对面积S为S1和S2之间的有效面积。所以为了满足高比容钽粉测试，阴极的表面积S2要远大于阳极的表面积S1，否则，将影响高比容阳极容量C的测试结果。如许宁辉在《阴极比表面积对超高比容钽阳极容量测试结果的影响》中所述，阴极比表面积是影响钽阳极块容量测试的一个关键因素，随着钽阳极容量的增大，测试所需的阴极比表面积也相应增大。当阴极比表面积足够大时，钽阳极容量测试值趋于稳定并接近真实值［1］。随着研发钽粉比容的提高就要求测试用阴极的比表面积足够大，但是目前测试使用的主要方法有：（1）在铂片上电镀Pt黑的Pt黑阴极使用寿命短、表面积小；（2）由多个钽粉压制烧结块捆绑在银片上制得的Ag－Ta阴极结构复杂、损耗大，且捆绑的方式使钽块与银片接触不良。对不同结构及不同材质的阴极对阳极块的容量和损耗的影响进行分析，最终采用环状的阴极结构，并优选FTW500钽粉作为环状阴极材质。

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1 Ag－Ta阴极

选择FTW120K钽粉，称取1.0 g 20份，在Φ6.0 mm的模具中压制成密度为（5.6＋0.1）g／cm3的成型块，在1 300～1 400℃条件下真空烧结。将烧结块均匀的捆绑在银片上，银片作为引出片。

1.1.2 Ta－Ta环状阴极

选用FTW230、FTW50K、FTW150K钽粉，分别称取20.0 g各一份、15.8 g各三份。20.0 g钽粉在Φ40.0 mm模具中压制成密度为4.0 g／cm3的带钽丝引出线的成型块，15.8 g钽粉在Φ40.0 mm／Φ16.0 mm特制中空模具中压制成密度为4.0／cm3的带钽丝引出线的环状成型块。〛以吊挂的方式置于烧结炉内，在压力小于4.0×10－3Pa的真空条件下，以恒定的速率升温至1 300～1 400℃，并烧结30～40min，温度降至50℃以下后充氧钝化冷却至室温［2］，并在12～20 h以后出炉，以防烧结块返热着火或变形。

将三块Φ40.0 mm／Φ16.0 mm的环形烧结块在上方，Φ40.0 mm烧结块在下方的形式使用钽片固定，并将钽丝引出线点焊在钽片上，钽片作为阴极引出片，并固定在大小合适的塑料瓶中，作为测试阴极整体，如图1所示。各阴极重量及表面积见表1。

图1 环状阴极结构

表1 阴极重量及表面积

1.2 试验过程

选取FTW500、FTW800、FTW150K 3个牌号钽粉，按照表2的条件进行成型、烧结、赋能、测试。使用设备有CA30－A液压成型机、ZR－25－18TS真空高温烧结炉、PAN350－3.5A 赋能电源、HP－4284A型LC精密测试仪。

表2 钽阳极工艺条件

1.3 容量和损耗测试结果

容量和损耗测试结果分别见表3、表4，HP－4284A型LC精密测试仪设置测试频率为120 Hz。

表3 容量检测结果 μF

表4 损耗检测结果

2 结果与讨论

2.1 Pt－Pt黑阴极不适合用于钽阳极容量测试

Pt－Pt黑阴极为铂表面作电镀处理，生成一种黑色“铂绒”，以增加活性和表面积。现有技术可使所制得的Pt黑粒径分布在0.1～3μm，平均粒径为2μm，类球形，比表面大于27 m2／g。但铂黑电极表面绝对不能擦拭，只能在去离子水中晃动清洗［3］。由于钽阳极在湿式检测过程中经常会与阴极接触摩擦，导致Pt－Pt黑阴极使用寿命极短。Pt－Pt黑阴极成本较高，并不适用于钽阳极的湿式检测。

2.2 Ag－Ta阴极与环状阴极的对比

前文描述，根据电容的决定式C＝εS／4πkd可知，正对面积S越大，容量也越大，正对面积S＝S阳极∩S阴极，即正对面积S为S阳极和S阴极之间的有效面积。容量与距离d成反比。Ag－Ta阴极由20个Φ6.0 mm的FTW120K钽烧结块捆绑在银片上，均匀地布置在有限的玻璃测试杯内，但块与块之间有较多间隙，即使均匀布置，仍然占用测试杯较大空间。由表1可知20 g的FTW120K阴极表面积达到21.4 m2。

而环状阴极充分利用了测试杯内部有限的所有空间，使阴极重量达到了67.4 g，但是FTW230环状阴极表面积仍然没有FTW120K阴极大。在容量检测结果中（图2），表面积较小的FTW230环状阴极较表面积大的FTW120K阴极测试结果却要大。而且在损耗测结果中（图3），FTW230环状阴极较FTW120K阴极要小很多。

图2 FTW120K阴极与FTW230环状阴极容量测试结果对比

图3 FTW120K阴极与FTW230环状阴极损耗测试结果对比

FTW120K阴极的正对面积S并未达到最大，表面积有21.4 m2的FTW120K阴极未将其有效面积全部利用起来，不能将高比容钽粉容量全部引出，这与Ag－Ta通过捆绑的形式有较大关系，随着Ag片的变黑氧化，Ag与Ta之间的电阻会越来越大，导致正对面积S变小。同时，在测试过程中，由于不同测试人员在测试时，钽阳极放置区域不一致，导致钽阳极与阴极的距离d偏差较大，造成损耗测试结果偏差也大。

环状阴极空间利用率很高，Ta－Ta通过点焊连接，电阻较小，正对面积S较高。同时环状的结构形式保证在测试过程中钽阳极与阴极的平均距离d始终保持稳定，即当钽阳极块离一端阴极距离远的同时，距另一端的阴极距离又近了，使容量、损耗测试结果稳定。

2.3 环状阴极材料的选择

从表1可知，FTW230、FTW500、FTW150K环状阴极的重量均为67.4 g，表面积分别为20.22 m2、37.07 m2、81.55 m2，FTW150K环状阴极几乎可将现有高比容钽阳极容量全部引出。由前文可知，当阴极比表面积足够大时，钽阳极容量测试值趋于稳定并接近真实值。但随着阴极表面积增大，损耗却也开始增大，测试对比结果如图4、图5所示。

图4 FTW230、FTW500、FTW150K环状阴极容量测试对比

图5 FTW230、FTW500、FTW150K环状阴极损耗测试对比

从图4、图5可以看出，FTW230、FTW500、FTW150K环状阴极容量测试结果并不明显，对应了当阴极比表面积足够大时，钽阳极容量测试值趋于稳定并接近真实值，相对面积S≈S阳极。但随着阴极表面的逐渐增大，测试得到的损耗也呈直线上升趋势，FTW150K环状阴极尤为明显。损耗是在电场作用下，消耗的无功功率与消耗的有功功率的比值［4］。阴极表面积过大，会导致回路中的电阻增加，消耗回路中的功率，造成无功功率增加，损耗增大。所以，阴极的表面积不一定要越大越好。FTW230、FTW500环状阴极在测试FTW500至FTW150K时，容量与损耗几乎无区别，但FTW500环状阴极表面积几乎是FTW230的一倍，更适合测试更高比容的钽阳极。

3 结 论

1.在湿式检测钽阳极时，环状阴极结构能使阳极面积与阴极面积的平均距离d始终稳定，使容量、损耗测试结果更稳定。

2.FTW500钽粉作为环状阴极材质，容量测试值高、损耗测试值小，测试值更接近于钽阳极的真实值，适合超高比容钽阳极的湿式检测。