阳极引导凸片和电解电容器

技术领域

本发明涉及阳极引导凸片、包括阳极引导凸片的电解电容器以及制造阳极引导凸片的方法。

背景技术

铝电解电容器的使用寿命由于铝电解电容器的原材料的纯度有限而被缩短。

一种常见的失效模式是电容器的阳极引导凸片的电化学腐蚀，阳极引导凸片的电化学腐蚀造成引导凸片的崩解。

阳极引导凸片的电化学腐蚀是由卤素离子造成的，卤素离子与铝阳极引导凸片的材料启动电化学反应。最常见的卤素是Cl，卤素Cl是几乎每种原材料的天然杂质。

专利申请文件DE 10 2016 125 733A1公开了一种保护铝阳极免受环境影响的氧化物层。

然而，氧化物层中的空隙和裂纹是不可避免的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的阳极引导凸片以及改进的电解电容器。

本发明提供了一种阳极引导凸片，该阳极引导凸片构造成用于在电解电容器中外部接触阳极箔，构造成用于提供保护阳极引导凸片不被表面溶解的粗糙表面。

根据本发明的电解电容器是具有液体电解质、阳极箔、阴极箔、位于阳极箔与阴极箔之间的分隔件以及将阳极箔和阴极箔电连接至外部接触件的另外的凸片的电容器。

特别地，铝电解电容器是极化电容器，该极化电容器的阳极由铝制成，在该铝上通过阳极氧化形成绝缘氧化物层。氧化物层用作铝电解电容器的电介质。液体电解质覆盖氧化物层的表面并且原则上用作电容器的与阴极箔电接触的第二电极。分隔件定位在阳极箔与阴极箔之间。分隔件可以包括浸渍有液体电解质的纸。

铝电解电容器可以构造成混合聚合物电解电容器，该混合聚合物电解电容器是具有带导电聚合物颗粒的液体电解质和固体电解质的电解电容器。聚合物可以覆盖阳极箔、阴极箔、分隔件以及将阳极箔和阴极箔电连接的凸片。

阳极引导凸片是将电解电容器的阳极箔与外部接触件电且机械地连接的导电引导凸片。

阳极引导凸片可以构造成挠性金属带，该挠性金属带在一侧上固定至阳极箔并且在另一侧上固定至外部接触件。

金属带可以包括导电金属，优选地铝(Al)。金属带可以包括金属箔，优选地铝箔。

外部接触件可以构造成容纳电解电容器的罐的底部或覆盖件。在实施方式中，罐容纳电容器和液体电解质。

外部接触件可以构造成单独的元件。优选地，外部接触件可以集成在罐的覆盖件中或罐的底部中。

电解电容器可以包括绕组元件。

电容器以及在一个实施方式中的绕组元件包括阳极箔、阴极箔以及分隔件。分隔件将阳极箔和阴极箔分开。

阳极引导凸片可以通过夹持或焊接至阳极箔和外部接触件来固定。阳极引导凸片可以优选地通过焊接来固定。

电解电容器用液体电解质来浸渍。

电引导凸片与电解电容器的液体电解质直接接触。

通常，在这样的电容器中，在液体电解质与电引导材料之间可能发生不希望的副反应。

不可避免的是电引导凸片的表面至少包括最小含量的杂质。此外，液体电解质也不可避免地包括杂质。杂质引发不希望的副反应并使不希望的副反应加速。典型的不希望的杂质包括卤素，比如氯(Cl)、碘(I)、溴(Br)以及氟(F)。特别是最小含量的Cl是不可避免的。

通过使引导凸片的表面粗糙化来增大引导凸片的表面积。杂质广泛地分布在增大的表面上。这意味着单个杂质颗粒之间的空间距离增加，并且因此每表面积的杂质的浓度降低。

诸如卤素离子和有机(卤素)化合物的杂质在阳极引导凸片材料与环绕引导凸片的液体电解质之间引起不希望的副反应。

在所述副反应中，引导凸片材料被化学转化为溶解在含水液体电解质中的可溶性(卤素)盐。

在最坏的情况下，这样的副反应导致阳极引导凸片的完全溶解。这种杂质的广泛分布防止了杂质簇的产生，杂质簇加速了所述副反应。

在其他实施方式中，阳极引导凸片由氧化物层保护。然而，氧化物层承受了在层的内部形成裂纹或空隙的风险。这样的裂纹或空隙提供反应热点，反应热点是副反应优先发生的位置。

可以通过在热点位置处仅提供少量的杂质组分来抑制副反应。通过使表面粗糙化并增大表面，可以减小表面上的杂质的浓度以及这些热点处的杂质的浓度。

液体电解质不可避免地包括如卤素离子和化合物的杂质，比如Cl。

如果杂质在电引导凸片的单个位置处积聚，则加速了副反应。

在发生副反应的反应位点处杂质组分的浓度由于副反应而降低。这导致其它杂质化合物扩散至反应位点。

此外，副反应还导致反应位点处的阳离子的过剩，这进一步导致带负电荷的阴离子如卤素离子扩散至反应位点。

副反应由于这些影响而加速并使引导凸片溶解。

通过使表面粗糙化，可以防止在引导凸片的表面上产生杂质的热点的集中，该集中导致所描述的不希望的影响。

在实施方式中，粗糙表面的比表面积比光滑表面的比表面积大至少10倍。

所描述的粗糙度防止了杂质组分在电引导凸片的表面上的不希望的积聚。还减少了杂质组分的集中簇的产生。

在实施方式中，粗糙表面的比容量为3μF/cm

比容量是粗糙表面的电容量相对于投影在平面中的表面的面积。

比容量可以通过实验来确定。

例如，可以通过使用LCR计(电感L、电容C以及电阻R)在高导电电解质中测量比容量。两个凸片样本抵靠彼此进行测量。

高比容量降低了不希望的副反应以及漏电或短路现象的风险。

高表面阳极引导凸片的另一益处是高表面阳极引导凸片的比容量值接近阳极箔电容值的一般比容量值。因此，阳极箔的表面与阳极引导凸片的表面之间的不平衡的电流分布的风险降低，并且因此阳极引导凸片与电容器的阴极之间的灾难性短路的风险被最小化。

在实施方式中，阳极引导凸片包括铝作为主要材料。

作为基本金属的铝具有良好的导电性和相对低的价格。

此外，铝具有良好的可成形性和良好的挠性。

因此，可以容易地制造具有期望形状的挠性凸片，该挠性凸片示出了抵抗外部机械冲击的高鲁棒性。

在空气环境中，铝与空气中的氧反应以自动形成氧化铝保护层。

在实施方式中，粗糙表面被氧化物层钝化。

如果阳极引导凸片包括铝，则可以通过铝与空气中的氧的反应自动形成氧化物层。

否则或替代性地，可以在引导凸片的制造期间施加氧化物层。

氧化物层额外地保护引导凸片抵抗外部影响，比如化学表面反应。

如果在氧化物层的内部出现不希望的裂纹或空隙，则表面的粗糙化用作第二保护手段。

在实施方式中，氧化物层至少具有3nm的厚度。

在具有所述厚度的氧化物层中，液体电解质与阳极引导凸片的表面之间的接触风险可以最小化。

本发明还提供了一种铝电解电容器，该铝电解电容器包括根据前面描述的实施方式中的任一实施方式的阳极引导凸片。

在实施方式中，铝电解电容器包括至少两个或更多个阳极引导凸片。阳极引导凸片中的至少一个或全部阳极引导凸片根据前面描述的实施方式中的任一实施方式来构造。

使用两个或更多个阳极引导凸片来将阳极箔连接至外部接触件或多个外部接触件允许使用长且宽的阳极箔。多个凸片的使用还减小了绕组元件的金属电阻，因为电流可以在多个位置处给送到绕组元件中，因此减小了电流必须在绕组元件内部行进的长度。

本发明还提供了一种对提供粗糙表面的阳极引导凸片进行制造的方法。

可以根据前面描述的实施方式中的任一实施方式来构造。

制造方法至少包括以下步骤。

在第一步骤中，提供具有光滑表面的阳极引导凸片。

在第二步骤中，通过化学蚀刻、电化学蚀刻、机械处理、等离子体处理、激光处理或所述工艺的组合使光滑表面粗糙化，直到实现3μF/cm

比容量直接对应于表面积，并且因此对应于阳极引导凸片的表面的表面粗糙度。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细地解释本发明的实施方式。在附图中，相似或明显相同的元件用同一附图标记来标示。附图和附图中的比例是不可缩放的。本发明不限于以下实施方式。附图示出了：

图1示意性地示出了电解电容器的绕组元件的第一实施方式。

图2示出了现有技术的光滑引导凸片表面的图片。

图3示出了本发明的粗糙引导凸片表面。

图2和图3中的图片通过SEM(扫描电子显微镜)拍摄。

具体实施方式

图1示出了电解电容器1的绕组元件的第一实施方式的图片。

绕组元件2具有例如大于10mm的直径以及大于12mm的高度。

绕组元件2可以容纳在筒形罐中。罐可以包括底部和壁，并且可以由帽状件或覆盖件覆盖(在图1中未示出)。

绕组元件2包括围绕同一轴线卷绕的阳极箔3、阴极箔4以及分隔件5。分隔件5布置在阳极箔3与阴极箔4之间。绕组元件2还包括另一分隔件，该另一分隔件也布置在阳极箔3与阴极箔4之间并且在图1中未示出以简化附图。特别地，将阳极箔3、分隔件5、阴极箔4以及另一分隔件依次堆叠，并且然后围绕轴线卷绕。绕组元件2可以用电解质(标准铝电解电容器)或用聚合物和工作电解质(混合聚合物电容器)浸渍。

电容器1还包括液体电解质6。

阳极箔3包括铝箔。铝箔的表面可以例如通过蚀刻工艺而被粗糙化。

已经通过自氧化或氧化处理在表面上形成介电氧化膜。因此，阳极箔3包括在铝箔的表面上具有氧化物层的铝箔。

阴极箔4也包括铝箔，其中，该铝箔的表面可以通过蚀刻工艺而被粗糙化，并且已经通过自氧化或氧化处理在该表面上形成介电氧化膜。因此，阴极箔4也包括在铝箔的表面上具有氧化物层的铝箔。

分隔件5中的每个分隔件是可以被浸渍的纸。

供绕组元件2围绕卷绕的同一轴线限定了轴向方向。

绕组元件2还包括用于电接触绕组元件2的凸片7、8。绕组元件2包括都连接至阳极箔3的两个阳极引导凸片7。连接至阳极箔3的阳极引导凸片7沿正轴向方向延伸。

此外，绕组元件2包括均连接至阴极箔4的两个阴极引导凸片8。连接至阴极箔4的阴极引导凸片8沿负轴向方向、即与连接至阳极箔3的阳极引导凸片7相反的方向延伸，或者也沿正轴向方向延伸。

使用多个阳极引导凸片7来连接阳极箔3允许使用长且宽的箔3。多个凸片7的使用还减小了绕组元件2的金属电阻，因为电流可以在多个位置处给送到绕组元件2中，因此减小了电流必须在绕组元件2内部行进的长度。

导电引导凸片7、8构造成挠性金属带，该挠性金属带在一侧上固定至阳极箔3或阴极箔4并且在另一侧上固定至外部接触件。

外部接触件可以是单独的元件。优选地，外部接触件可以集成在罐的覆盖件中或罐的底部中。

阳极引导凸片7将阳极箔3与外部接触件电且机械地连接。

阳极引导凸片7的金属带包括导电金属。在本示例中，金属带包括铝(Al)作为主要材料。

具体地，阳极引导凸片7包括高表面铝箔。

为了提供高表面铝箔，例如通过化学蚀刻、电化学蚀刻、机械处理、等离子体处理、激光处理或所述工艺的组合使铝箔的通常光滑的表面粗糙化，直到实现粗糙表面，该粗糙表面的面积比光滑表面的比表面积大至少5倍。

优选地，该面积比光滑表面的比表面积大至少10倍。

比表面积是绝对表面积与投影平面的表面积的比率。

通过使表面粗糙化来实现3μF/cm

包括阳极引导凸片7的整个绕组元件2被液体电解质浸渍。

在如图2中所示出的现有技术的光滑引导凸片表面上，由卤素阴离子或由包括卤素的有机卤素化合物引起的电化学腐蚀导致阳极引导凸片的崩解。

铝电解电容器的原材料的卤素含量决不可能完全消除。因此，电解质6以及阳极引导凸片7的表面至少包括少量的卤素，通常为约0.1-0.2mg/m

另一方面，少量的卤素、如Cl、Br、I以及F离子可以发动腐蚀反应。

最常见的卤素是Cl，Cl是几乎每种原材料的天然杂质。卤素离子与铝阳极引导凸片7的反应是自加速的，并且温度以及施加在电容器上的电压增加时造成现有技术电容器的早期失效。

卤素与金属Al的反应在相对快速的反应R2中产生卤素离子的可溶性Al盐。此外，在酸性电解质的存在下，氧化铝也以相对较慢的反应R1与卤素离子反应。常见的电解质包括例如羧酸和/或二羧酸和/或硼酸。此外，即使是每次都存在于电解质中的水也可以用作酸。

在水的存在下，卤素离子在反应R3中再次离解，并且与铝或氧化铝(R1、R2)开始新的反应。最后，开始了链式反应。电解质中的低含量的水也引发了所描述的反应。每种常见的电解质都至少包括少量的水。电解质中的水的典型比率在0.5％与16％之间，并且在电解质用于高电压电容器的情况下优选地在3％与5％之间。

以下公式中的字母X代表任何卤素(Cl、Br、I、F)。

Al

Al+3X

2AlX

由于在反应R2中电子被阳极接收，因此更多带负电荷的阴离子将积聚在反应位点处。

如果卤素离子在表面的一个点中的浓度变得过高，则在金属铝可以完全反应的地方出现所谓的簇，这导致铝箔的崩解并且因此导致阳极引导凸片的崩解。

特别是在氧化物层中决不可能完全避免的裂纹或空隙9导致了这种簇的产生。

具有氧化物层的阳极引导凸片表面在图2中示出，该氧化物层示出了所描述的空隙和裂纹。

另一方面，如果卤素离子在表面上的浓度低，则电解质中的酸与铝以相对缓慢的反应进行反应以形成氧化铝层，该氧化铝层保护阳极凸片7的铝材料免受外部化学的影响。

例如，铝可以与液体电解质的氧化性二羧酸或硼酸进行反应：

2Al+3O

如图3所示，由于粗糙的铝箔的高表面，卤素离子均匀地分布在表面上，并且在该表面上没有达到局部高电流密度的簇。通过将比表面积增大10倍，卤素的表面浓度可以降低至优选地小于0.05 mg/m

在这种情况下，即使在高温和高电压下，电解质可以比氧化物层更快地使阳极引导凸片7的表面氧化，或者铝箔自身由于非常低的卤素浓度而被卤素离子破坏。

氧化物层的厚度优选地大于3nm。

所描述的电容器的典型工作条件是550V或更高的高电压以及约105℃的温度。

所描述的电容器的寿命在阳极引导凸片崩解之前共计超过3000小时。优选地，寿命共计超过5000小时。

附图标记列表

1 电解电容器

2 绕组元件

3 阳极箔

4 阴极箔

5 分隔件

6 电解质

7 阳极引导凸片

8 阴极引导凸片

9 氧化物层中的裂纹