рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом

Классы МПК:H01G9/035 жидкие электролиты, например пропитывающие материалы
H01G9/145 конденсаторы с жидким электролитом
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Элеконд" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2008-07-07
публикация патента:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к рабочему электролиту для конденсатора, преимущественно для алюминиевого электролитического конденсатора, на номинальные напряжения 6,3-63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С, в состав которого входят, в мас.%: лактон - 20-70, амидосодержащее соединение - 10-50, дикарбоновая кислота или ее аммонийная соль - 3-30, третичный алифатический амин - 3-30, ароматическое нитросоединение - 0-8, ортофосфорная кислота - 0-6, бензойная кислота или ее аммонийная соль - 0-5, деионизованная вода - 0-5; а также к его способу приготовления и алюминиевому электролитическому конденсатору с таким рабочим электролитом. Стабильные характеристики рабочего электролита и конденсатора, низкое эквивалентное последовательное сопротивление на номинальные напряжения от 6,3 до 63 В во всем интервале указанных рабочих температур, особенно при низкой температуре минус 60°С, характеризуют технический результат изобретения. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 ил.

рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229

Формула изобретения

1. Рабочий электролит для конденсатора на номинальные напряжения 6,3÷63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С, в состав которого входят смесь органических растворителей, дикарбоновая кислота или ее аммонийная соль, третичный алифатический амин при рН электролита 5-7, отличающийся тем, что в электролите лактон, являющийся основным растворителем, занимает 20÷70 мас.%, амидосодержащее соединение как сорастворитель 10÷50 мас.%, дикарбоновая кислота или ее аммонийная соль 3÷30 мас.%, третичный алифатический амин 3÷30 мас.%, электролит дополнительно содержит ароматическое нитросоединение, занимающее 0÷8 мас.%, ортофосфорную кислоту, занимающую 0÷6 мас.%, бензойную кислоту или ее аммонийную соль занимающую 0÷5 мас.%, деионизованную воду, занимающую 0÷5 мас.%.

2. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что дикарбоновую кислоту выбирают из ряда: малеиновая кислота, адипиновая кислота, себациновая кислота, азелаиновая кислота, итаконовая кислота, причем первая предпочтительна.

3. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что лактон выбирают из ряда: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактон, рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -валеролактон, рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -валеролактон, причем первый предпочтителен.

4. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что амидосодержащее соединение выбирают из ряда: метилформамид, диметилацетамид, диэтилформамид, диметилформамид, причем первый предпочтителен.

5. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что третичный алифатический амин выбирают из ряда: триэтиламин, триэтаноламин, трибутиламин, этилдиизопропиламин, причем первый предпочтителен.

6. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что в качестве ароматического нитросоединения применяют нитроанизол, нитроацетофенон, причем первый предпочтителен.

7. Способ приготовления рабочего электролита по п.1 для конденсатора на номинальные напряжения 6,3÷63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С, заключающийся в смешивании и нагреве растворителей при постоянном их перемешивании с введением остальных компонентов электролита, кроме третичного алифатического амина и деионизованной воды, с добавлением после полного растворения компонентов третичного алифатического амина при постоянном перемешивании и нагреве смеси до конечной температуры нагрева электролита с последующим принудительным охлаждением и добавлением деионизованной воды и окончательном принудительном охлаждении электролита, отличающийся тем, что температура нагрева смешанных растворителей составляет 40°С, не выше, конечная температура нагрева электролита 140±5°С, температура первого охлаждения электролита примерно 80°С, окончательного охлаждения примерно 30°С, время охлаждения составляет около 10 мин, при равномерном наборе температуры и при скорости мешалки не более 50 об./мин.

8. Алюминиевый электролитический конденсатор на номинальные напряжения 6,3÷63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С, представляющий собой конденсаторный элемент, полученный путем намотки из катодной и анодной алюминиевой фольги с прокладкой из конденсаторных бумаг, пропитанный рабочим электролитом и помещенный в алюминиевый корпус, выходное отверстие в котором закрывается крышкой с уплотнительным резиновым элементом, отличающийся тем, что рабочий электролит имеет состав по п.1 и приготовлен способом по п.7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству изделий электронной техники, конкретно - к производству алюминиевых электролитических конденсаторов, в частности, с низким эквивалентным последовательным сопротивлением, работающих при невысоких номинальных напряжениях от 6,3 до 63 В в интервале рабочих температур от минус 60 до 105°С.

Рабочий электролит (далее - электролит), в котором прохождение электрического тока осуществляется за счет движения ионов и сопровождается электролизом, обеспечивает работоспособность конденсатора при определенных номинальных напряжениях в определенном интервале рабочих температур, для чего сам должен обладать такими качествами, как высокая собственная проводимость; малые изменения проводимости во всем интервале рабочих температур; хорошая формующая способность, необходимая для подформовки анода, т.е. быстрого образования в процессе тренировки конденсатора диэлектрической пленки оксида алюминия по кромкам и микротрещинам, образовавшимся на алюминиевом фольговом аноде при порезке фольги и намотке конденсаторного элемента; высокое напряжение искрения, выражающего начинающийся процесс анодного пробоя электролита, а в последующем и конденсатора, которое должно быть всегда заведомо больше напряжения формовки, которое, в свою очередь, должно быть больше номинального напряжения конденсатора; стабильные параметры при максимальной рабочей температуре, а также при хранении в нормальных условиях (НУ); отсутствие химического взаимодействия с алюминием, оксидом алюминия и материалом других элементов конденсатора; низкая токсичность и воспламеняемость.

Система электролит-прокладка-оксид должна обеспечивать хорошую впитываемость прокладочных конденсаторных бумаг, стабильность характеристик конденсаторного элемента после пропитки; отсутствие растравливания оксида алюминия электролитом.

Основными компонентами электролита являются ионообразующие вещества (ионогены), органические и неорганические кислоты и их соли, но они редко применяются непосредственно в том виде, как они есть - как правило, требуют растворения в подходящем растворителе, чтобы произошла электролитическая диссоциация с образованием ионов и получился нужный по консистенции электролит. Компоненты электролита не должны создавать ионы, вызывающие коррозию или способствующие коррозии алюминия, оксида алюминия, а также материала других элементов конденсатора.

Из кислот могут использоваться монокарбоновые, например пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, нонановая, и дикарбоновые кислоты, например малоновая, малеиновая, фумаровая, янтарная, глутаровая, адипиновая, азелаиновая, себациновая, а также борная, ортофосфорная, фталевая, бензойная кислота или их соли аммония.

Для низковольтных конденсаторов в качестве растворителей могут использоваться лактоновые и амидные растворители. Электролиты на основе лактоновых растворителей позволяют конденсаторам достигать высокой надежности и большого срока эксплуатации, однако нижняя граница рабочей температуры конденсаторов с такими электролитами ограничена температурой замерзания этих растворителей, например, для рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактона температура кристаллизации составляет минус 44°С. Электролиты на основе амидных растворителей позволяют достичь конденсаторам нижней границы рабочей температуры минус 60°С и даже ниже. Однако эти электролиты не способны обеспечить большой срок эксплуатации конденсатора, так как они очень летучи, а также вступают в реакцию с оксидом алюминия на аноде и разрушают его, что приводит к росту тока утечки в конденсаторах и сокращению срока службы. Однако при замене амидных растворителей на другие растворители, менее летучие и менее агрессивные по отношению к оксиду алюминия, низкотемпературные характеристики электролита, а следовательно, и конденсатора ухудшаются и уменьшается проводимость электролита. Применение сорастворителей позволяет достичь более низкой рабочей температуры. Использование в электролите смешанного растворителя, содержащего лактон в качестве основного растворителя в силу его стабильности и низкой токсичности и амид как сорастворитель, позволяет повысить проводимость электролита в НУ, а также при пониженных, вплоть до минус 60°С, и повышенных температурах и в то же время получить высокую надежность и длительный срок службы как электролита, так и конденсатора.

Повышению срока службы способствует введение в состав электролита добавок, например ароматического нитросоединения, препятствующего разрушению оксида алюминия и усиливающего поглощение газообразного водорода, образующегося в процессе электролиза, который происходит при работе конденсатора.

Удельная проводимость зависит от остаточного содержания воды в приготовленном электролите, в том числе образованной в процессе химического взаимодействия его компонентов, и, следовательно, от состава электролита, а также от конечной температуры нагрева электролита, которая соответствует конечному моменту его приготовления и является наибольшей температурой, до которой нагревают электролит, и времени его приготовления. Для увеличения растворимости ионогена, а также для улучшения формующей способности возможно добавление к электролиту деионизованной воды.

Напряжение анодного пробоя также зависит от конечной температуры нагрева электролита, при этом дикарбоновые кислоты повышают его величину, способствуя улучшению этого параметра.

Как правило, электролит должен иметь величину логарифма концентрации водородных ионов (рН) около 7, чтобы не проявлялись нежелательные процессы, ухудшающие работоспособность и срок службы конденсатора, например растворение алюминия и оксида алюминия в электролите или гидратация оксида алюминия. Величина рН зависит как от состава электролита, так и от температуры его приготовления. Для окончательного приведения рН к нужной величине применяют амин в качестве добавки к электролиту.

Вязкость характеризует консистенцию электролита и зависит от содержания в нем воды и летучих веществ, а также от температуры и времени приготовления электролита.

В конечном итоге на параметры электролита влияют как его состав, так и технология его приготовления, а электрические характеристики конденсатора и срок его службы в значительной степени зависят от параметров использованного в нем электролита.

Известен электролит, описанный в патенте US 6285543, кл. Н01G 9/02, опубл. 04.09.2001, который состоит из смешанного с водой органического растворителя - протонового, например этиленгликоля, непротонового, например глюконового лактона, или их смеси; ионогена, представленного карбоновой кислотой, например бензойной, или ее солью либо неорганической кислотой, например борной, или ее солью; добавки в виде одного нитросоединения или комбинации из двух и более нитросоединений, таких как нитрофенол, нитроацетофенон, нитробензойная кислота, динитробензойная кислота, нитроанизол. Электролит хорошо работает при напряжениях 160-500 В и работоспособен при напряжениях ниже 160 В; имеет низкий импеданс, хорошую долговечность, очень стабильные характеристики при низких температурах, вплоть до минус 40°С; способен абсорбировать образующийся в процессе эксплуатации газообразный водород, даже при повышенной температуре 105°С и большом содержании воды в смешанном растворителе.

Однако этот электролит не может работать при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в его состав включена комбинация из нескольких нитросоединений.

Также известен электролит, описанный в патенте US 4509094, кл. Н01G 4/22, Н01G 9/02, опубл. 02.04.1985, который работоспособен при напряжении 150 В и выше, а также при повышенной температуре 105°С и низкой температуре минус 40°С и состоит, например, из комплексной однозамещенной соли азелаиновой кислоты с триэтиламином, которая является ионогеном, и смешанного растворителя, содержащего небольшое количество воды и, например, смесь бутиролактона и N-метилпирролидона. Электролит обеспечивает в указанном интервале температур малые изменения проводимости, а газообразование электролита при повышенной температуре может быть снижено за счет применения нитросоединения, в частности нитропропана, в качестве катодного деполяризатора.

Однако этот электролит не работает при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в его состав включено в качестве катодного деполяризатора такое нитросоединение, как нитропропан, который обладает наркотическим действием.

А также известен электролит для алюминиевого электролитического конденсатора, описанный в патенте RU 2307417, кл. Н01G 9/035, 9/145, опубл. 27.09.2007, где в состав электролита входят смешанный органический растворитель, представленный рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактоном и N-метилпирролидоном, третичный алифатический амин, представленный триэтиламином, дикарбоновая кислота, выбираемая из таких кислот, как малеиновая, адипиновая, себациновая, азелаиновая или итаконовая, или ее соль аммония. Электролит работает при напряжениях от 16 до 63 В и температурах от минус 60 до 105°С, имеет величины удельной проводимости, измеренные при 20°С и минус 60°С, не менее 3,57 и 0,2 мСм/см соответственно.

Этот электролит хорошо работает в широком диапазоне температур, особенно при очень низкой температуре минус 60°С, однако при такой температуре электролит не обеспечивает необходимые параметры для рабочего напряжения 6,3 В.

Известен способ приготовления электролита, описанный в патенте US 5175674, кл. Н01G 9/02, опубл. 29.12.1992, где все ингредиенты нагревают до 65-75°С с перемешиванием и доведением рН до величины 7,5-8,5, при этом величина удельного объемного сопротивления составляет 330 Ом·см при 30°С.

Недостатки - температура нагрева не оптимизирована, растворимость - тоже, что приводит к менее высокой проводимости электролита.

Также известен способ приготовления электролита, описанный в указанном выше патенте RU 2307417, согласно которому сначала нагревают смешанный органический растворитель до температуры 40°С и вводят дикарбоновую кислоту и третичный алифатический амин, а затем при интенсивном перемешивании доводят рабочий электролит до конечной температуры нагрева, которая составляет 50°С.

В этом способе температурные режимы оптимизированы, электролит может работать при очень низкой температуре минус 60°С, но при такой температуре электролит не обеспечивает необходимые параметры для рабочего напряжения 6,3 В.

Известен алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте US 4509094, который работает при напряжении 150 В и выше, а также при повышенной температуре 105°С и пониженной температуре минус 40°С, где электролит состоит, например, из комплексной однозамещенной соли азелаиновой кислоты с триэтиламином, которая является ионогеном, и смешанного растворителя, содержащего небольшое количество воды и смесь бутиролактона и N-метилпирролидона. Конденсатор имеет небольшие изменения емкости в указанном интервале температур, а также пониженное выделение водорода на катоде за счет применения нитросоединения, например нитропропана, в качестве катодного деполяризатора.

Однако этот конденсатор не работает при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в состав его электролита включено в качестве катодного деполяризатора нитросоединение, например нитропропан, который обладает наркотическим действием.

Известен также алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте US 6285543, который работает при напряжениях 160-500 В и ниже в интервале рабочих температур от минус 40 до 105°С, где электролит состоит, например, из смешанного с водой в соотношении (80-20):(20-80) мас.% этиленгликоля или глюконового лактона, или их смеси; карбоновой кислоты, например бензойной, или ее соли; неорганической кислоты, например борной, или ее соли; добавки в виде одного нитросоединения или комбинации из двух и более нитросоединений, таких как нитрофенол, нитроацетофенон, нитробензойная кислота, динитробензойная кислота, нитроанизол. Конденсатор имеет низкий импеданс, хорошую долговечность, очень стабильные характеристики при низких температурах, вплоть до минус 40°С, и хорошую абсорбцию образующегося в процессе эксплуатации газообразного водорода, даже при повышенной температуре 105°С и большом содержании воды в смешанном растворителе.

Однако этот конденсатор не может работать при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в нем в качестве катодного деполяризатора использована комбинация из нескольких ароматических нитросоединений.

А также известен алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте RU 2307417, где электролит содержит смешанный органический растворитель, представленный рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактоном и N-метилпирролидоном, третичный алифатический амин, представленный триэтиламином, дикарбоновую кислоту, выбираемую из таких кислот, как малеиновая, адипиновая, себациновая, азелаиновая или итаконовая, или ее соль аммония.

Этот конденсатор хорошо работает в широком диапазоне температур, имеет пониженные токсичность и газообразование, но при температуре минус 60°С конденсатор не обеспечивает необходимые параметры для рабочего напряжения 6,3 В.

Задачи изобретений образуют комплексную задачу создания электролита такого состава и такого способа приготовления, чтобы получить с этим электролитом алюминиевый электролитический конденсатор на номинальные напряжения от 6,3 до 63 В, хорошо работающий при температурах от минус 60 до 105°С, особенно при низкой температуре.

Эта комплексная задача решается за счет разработки электролита, способа его приготовления и конденсатора с таким электролитом, позволяющих получить следующие технические результаты: очень хорошую температурную стабильность параметров электролита, особенно проводимости, и электрических характеристик конденсатора во всем интервале рабочих температур, особенно при низких температурах; высокое напряжение анодного пробоя в электролите и в конденсаторе; высокую коррозионную стойкость конденсатора, пониженное газообразование электролита с пониженным выделением водорода на катоде конденсатора; пониженную токсичность электролита.

Предлагается электролит, в состав которого входят следующие компоненты (см. таблицу 1) с такими качествами:

- смесь органических растворителей, в которой основным растворителем является лактон в силу стабильности и низкой токсичности, например рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактон, который предпочтительнее рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -валеролактона, рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -валеролактона; сорастворителем - амидсодержащее соединение, так как обеспечивает хорошую растворимость компонентов и хорошие низкотемпературные свойства электролита, например метилформамид, который имеет температуру кипения 196°С и предпочтительнее диметилформамида, диметилацетамида, диэтилформамида;

- дикарбоновая кислота (или ее аммонийная соль), которая как основной ионоген обеспечивает хорошую проводимость электролита, например малеиновая, которая предпочтительнее янтарной, себациновой, адипиновой, азелаиновой, итаконовой кислот, так как позволяет получить в данном случае наилучшее соотношение напряжения пробоя и удельной проводимости по сравнению с другими кислотами при той же концентрации;

- алифатический амин, лучше третичный в силу меньшей летучести при повышенной температуре, например триэтиламин, который в данном случае предпочтительнее триэтаноламина, трибутиламина, этилдиизопропиламина, так как позволяет получить максимальную удельную проводимость, особенно при низкой температуре - как органическое основание для нейтрализации кислой среды электролита и оптимизации рН, и отчасти как ионоген, что дополнительно улучшает проводимость электролита;

- ароматическое нитросоединение, например нитроанизол, нитроацетофенон, которое, при необходимости, может быть добавлено в электролит в качестве катодного деполяризатора, противодействующего газообразованию и выделению водорода на катоде конденсатора;

- дикарбонильное соединение, например бензойная кислота или ее аммонийная соль (предпочтителен бензоат аммония), которое, при необходимости, может быть добавлено в электролит для стабилизации оксида алюминиевого анода и снижения тока утечки в конденсаторе;

- ортофосфорная кислота или ее соль, которую, при необходимости, можно добавить в электролит для улучшения формующей способности, уменьшения электрохимической коррозии, стабилизации оксида;

- деионизованная вода, которую, при необходимости, можно добавить в электролит для повышения его формующей способности.

Состав электролита оптимизирован по компонентам и их количественным соотношениям (см. таблицу 1) и позволяет получить оптимальные для номинальных напряжений от 6,3 до 63 В и рабочих температур от минус 60 до 105°С параметры электролита (см. таблицу 2). Достигаемые параметры электролита зависят и от режимов его приготовления, когда происходит смешивание и химическое взаимодействие компонентов электролита между собой и физическое воздействие на них режимных факторов.

Таблица 1
Состав электролита
№ п/пНаименование компонента Содержание компонента, мас.%
1рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактон 20-70
2Метилформамид 10-50
3Малеиновая кислота 3-30
4Триэтиламин 3-30
5Нитроанизол 0-8
6Ортофосфорная кислота 0-6
7Бензоат аммония 0-5
8Деионизованная вода 0-5
Таблица 2
Параметры электролита
№ п/п Наименование параметра Величина параметра
1 Удельная проводимость, мСм/см: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- при температуре 20°С не менее 5
- при температуре минус 60°С не менее 0,285
2 рН5-7
3 Вязкость, сне более 10
4 Напряжение искрения, В не менее 150
5 Формующая способность: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- напряжение формовки, В не менее 95
- время достижения напряжения формовки, мин не более 1
- остаточный ток, мА не более 7

Оптимизация состава электролита и его параметров осуществлялась по результатам исследований, в частности, зависимости параметров электролита от конечной температуры его нагрева. От конечной температуры нагрева электролита особенно зависят напряжение пробоя, напряжение формовки, проводимость как в НУ, так и при пониженных температурах. Конечная температура нагрева должна обеспечивать оптимальное соотношение между удельными проводимостями электролита в этих температурных условиях и напряжениями пробоя и формовки (см. графики фигур 1-3). Из графиков видно, что наиболее приемлемой величиной конечной температуры нагрева электролита является 140°С.

Предлагается способ приготовления электролита, который заключается в том, что сначала растворители смешивают между собой и нагревают до температуры 40°С, не выше, при постоянном перемешивании - для улучшения растворимости компонентов, затем вводят остальные компоненты, кроме амина и деионизованной воды, и перемешивают их до полного растворения, затем добавляют амин и при постоянном перемешивании нагревают смесь до конечной температуры нагрева электролита, которая составляет 140±5°С, после чего смесь принудительно охлаждают до 80°С, не выше, в течение примерно 10 минут, добавляют воду и перемешивают, а затем электролит принудительно охлаждают до 30°С, не выше, в течение примерно 10 минут. При этом обеспечивают равномерный набор температуры с произвольной скоростью и перемешивание со скоростью мешалки примерно 50 об/мин, не более.

Оптимизированный состав электролита и способ его приготовления с оптимальными технологическими режимами дают синергический эффект, позволяющий наилучшим образом реализовать данный электролит в конденсаторах с низковольтным диапазоном номинальных напряжений, в данном случае от 6,3 до 63 В, способных хорошо работать при низких температурах, включая минус 60°С. К синергическому эффекту приводят следующие факторы: во-первых, введение растворяемых компонентов в заранее подогретую до оптимальной температуры, которая по результатам исследований составляет 40°С, смесь органических растворителей; во-вторых, оптимизация содержания компонентов в составе электролита, что позволяет существенно снизить температуру замерзания электролита и одновременно сохранить хорошую растворяемость ионогенов, а следовательно, хорошую степень их диссоциации, что повышает проводимость и температурную стабильность электролита; в-третьих, оптимизация величины конечной температуры нагрева электролита, которая влияет на все параметры электролита и составляет здесь 140±5°С.

Алюминиевый электролитический конденсатор на номинальные напряжения от 6,3 до 63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С представляет собой конденсаторный элемент, полученный путем намотки из катодной и анодной алюминиевой фольги с прокладкой из конденсаторных бумаг, пропитанный электролитом и помещенный в алюминиевый корпус, выходное отверстие в котором закрывается крышкой с уплотнительным резиновым элементом, причем электролит имеет состав в соответствии с заявляемым электролитом и приготовлен способом в соответствии с заявляемым способом приготовления этого электролита. Конструкция корпуса и крышки конденсатора может иметь варианты по аксиальному или радиальному исполнению выводов: конденсатор с радиальными выводами имеет внешние, анодный и катодный, выводы на крышке, а конденсатор с аксиальными выводами имеет корпус с предварительно приваренным внешним катодным проволочным выводом, а крышку выполняют в виде обрезиненного вывода с приваренным внешним анодным проволочным выводом.

В предлагаемых изобретениях поставленная комплексная задача решена и достигнуты указанные выше технические результаты благодаря следующим факторам.

Хорошая температурная стабильность параметров электролита, особенно проводимости, во всем интервале рабочих температур, особенно при низких температурах - а проводимость от НУ до минус 60°С уменьшается незначительно (см. таблицу 2) - достигается за счет описанного выше синергического эффекта.

Достаточно хорошие напряжения формовки и формующая способность электролита на заданные номинальные напряжения от 6,3 до 63 В, гарантирующие стабильную работу конденсатора с таким электролитом в интервале рабочих температур от минус 60 до 105°С, особенно при низких температурах, (см. таблицу 2) достигаются здесь непосредственно оптимизацией величины конечной температуры нагрева электролита, которая составляет 140°С.

Пониженные газообразование электролита и, соответственно, выделение водорода на катоде конденсатора обеспечиваются введением в состав электролита ароматического нитросоединения как катодного деполяризатора, лучше нитроанизола, в небольших количествах (см. таблицу 1) - в связи с присутствием лактона, особенно рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактона, который при не очень высоких рабочих напряжениях ведет себя отчасти как катодный деполяризатор.

Повышенному, относительно номинального напряжения на конденсаторе, напряжению пробоя электролита и, соответственно, конденсатора способствует наличие в составе электролита третичного алифатического амина, в данном случае триэтиламина, что дополнительно повышает удельную проводимость электролита.

Пониженная токсичность электролита обеспечивается тем, что обязательные компоненты, занимающие в его составе основную долю 92-100 мас.%, являются нетоксичными или малотоксичными веществами, а наличие токсичных соединений ограничено применением их лишь в качестве добавок в небольших количествах и только при необходимости (см. таблицу 1).

Хорошая температурная стабильность электрических характеристик конденсатора во всем интервале рабочих температур, особенно при низких температурах (см. таблицу 3), определяется хорошей температурной стабильностью параметров его электролита.

Высокая коррозионная стойкость конденсатора достигается выбором таких компонентов для электролита, которые проявляют достаточную инертность в отношении оксида алюминия, самого алюминия и материала других элементов конденсатора.

Предлагаемый конденсатор отличается хорошими электрическими характеристиками, в частности низким эквивалентным последовательным сопротивлением, во всем интервале рабочих температур, особенно при низкой температуре, высоким напряжением анодного пробоя относительно номинальных напряжений, пониженным выделением водорода на катоде и высокой коррозионной стойкостью - благодаря хорошим параметрам электролита, достигнутым оптимизацией состава и способа приготовления электролита с синергическим эффектом в отношении параметров электролита и характеристик конденсатора.

Фигура 1 графически представляет зависимость напряжения пробоя электролита и напряжения формовки электролита от конечной температуры нагрева электролита.

Фигура 2 графически представляет зависимость удельной проводимости электролита, измеренной при температуре минус 60°С (нижняя граница интервала рабочих температур), от конечной температуры нагрева электролита.

Фигура 3 графически представляет зависимость удельной проводимости электролита, измеренной при температуре 20°С (НУ), от конечной температуры нагрева электролита.

Предлагаемые изобретения реализованы на ОАО «Элеконд», г.Сарапул, где в серийном производстве выпускается алюминиевый электролитический конденсатор K50-76 с использованием предлагаемого электролита, приготовленного предлагаемым способом.

Технология приготовления электролита, состав которого описан выше и указан в таблице 1, включает в себя следующие технологические этапы:

1. Загрузка растворителей, рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактона и метилформамида, в реактор установки при комнатной температуре и включение нагревательного устройства и мешалки.

2. Нагрев растворителей до температуры не выше 40°С при постоянном перемешивании и равномерном наборе температуры.

Скорость мешалки устанавливают примерно 50 об/мин, не более, а скорость набора температуры не лимитируют.

3. Загрузка остальных компонентов электролита, кроме триэтиламина и деионизованной воды, и постоянное перемешивание при указанной выше температуре до их полного растворения.

4. Загрузка триэтиламина с последующим нагреванием смеси до конечной температуры нагрева электролита 140±5°С при постоянном перемешивании со скоростью, указанной в п.2, и равномерном наборе температуры с произвольной скоростью, а затем отключение нагревательного устройства.

5. Принудительное охлаждение электролита до температуры 80°С в течение примерно 10 минут и добавление деионизованной воды с последующим перемешиванием, а затем отключение мешалки.

6. Принудительное охлаждение электролита до температуры 30°С в течение примерно 10 минут и слив готового электролита в емкость для хранения электролита.

Время нагрева до температуры 40°С не является существенным технологическим параметром, поскольку здесь перепад между температурами начала и завершения нагрева невелик и заданная температура достигается довольно быстро, что зависит от мощности нагревательного устройства.

Скорость перемешивания не оказывает значительного влияния на параметры предлагаемого электролита, поскольку все компоненты электролита относительно хорошо растворяются и смешиваются между собой. Однако большая скорость может привести к нежелательному насыщению электролита кислородом и, как следствие, к вступлению компонентов в нежелательные окислительно-восстановительные реакции - исследования показали, что скорость мешалки необходимо ограничить величиной 50 об/мин.

Скорость набора температуры, как показали эксперименты, не оказывает существенного влияния на параметры данного электролита и лимитируется техническими характеристиками оборудования.

Таблица 3
Состав и параметры электролита в примерах
Состав электролита по компонентам
Наименование Содержание, мас.%
Пример 1Пример 1 сравнительный (по патенту RU 2307417) Пример 2
рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 -бутиролактон 38,738,7 21,8
Метилформамид 31,6 -48,5
N-метилпирролидон - 38,3-
Малеиновая кислота 14,8 1214,8
Триэтиламин 14,9 1114,9
Параметры электролита
Удельная проводимость, мСм/см рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- при температуре 20°С (НУ) 6,13,5 7,3
- при температуре минус 60°С 0,4820.295 0,416
рН6 66
Вязкость, с 1010 10
Напряжение искрения, В160 180 150
Формующая способность:рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
напряжение формовки, В 100100 95
время достижения напряжения формовки, мин 0,83,5 0,7
остаточный ток, мА4 34

Из приведенных примеров видно, что предлагаемый электролит (см. примеры 1 и 2) имеет лучшие значения таких характеристик, как проводимость, время достижения напряжения формовки, чем электролит-прототип (см. пример 1 сравнительный), к тому же работоспособен при рабочем напряжении 6,3 В на температуре минус 60°С, что электролит-прототип не обеспечивает.

Таблица 4
Электрические характеристики конденсатора
№ п/п Наименование характеристики, единица измерения Значение характеристики для номинала конденсатора K50-76
16 В×220 мкФ25 В×2200 мкФ
1Механические повреждения конденсатора, %, по причине отказа: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- коррозия0 0
- повышенное газовыделение 00
- анодный пробой 0 0
2 Емкость, мкФ, при температуре 25°С (НУ)220±20% 2200±20%
3 Тангенс угла диэлектрических потерь, %, при температуре: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- 25°С (НУ) 20 и менее20 и менее
- минус 60°С 200 и менее150 и менее
- 105°С30 и менее30 и менее
рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 Импеданс, Ом, при температуре 25°С (НУ) на частоте 100 кГц 0,8 и менее0,3 и менее
5Отношение импедансов при минус 60°С и при 25°С (НУ) на частоте 50 Гц 4 и менее 3 и менее
6Относительное изменение емкости, %, при температуре: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- минус 60°С минус 50 и более минус 50 и более
- 105°С±20 ±20
7 Ток утечки, мкА, при температуре: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229 рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- 25°С (НУ) 35,2 и менее234,5 и менее
- 105°С70,4 и менее469 и менее
8Наработка на отказ, ч, при повышенной температуре/напряжении: рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления   и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом, патент № 2362229
- 60°С/Uном. 5000 и более
- 105°C/0,5Uном. 2000 и более

В таблице 4 представлены полученные в ходе приемосдаточных и климатических испытаний, а также испытаний на безотказность электрические характеристики конденсатора K50-76, в частности для номиналов 16 В×220 мкФ и 25 В×2200 мкФ, в котором применяется предлагаемый рабочий электролит.

Результаты испытаний удовлетворительные, что подтверждает полную работоспособность конденсатора с рабочим электролитом по настоящему изобретению.

Предложенный электролит позволяет реализовать конденсатор с хорошими, стабильными показателями надежности, который отличается хорошими электрическими характеристиками, в частности низким эквивалентным последовательным сопротивлением.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2362229

patent-2362229.pdf

Класс H01G9/035 жидкие электролиты, например пропитывающие материалы

рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом -  патент 2393569 (27.06.2010)
рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом -  патент 2358348 (10.06.2009)
рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом -  патент 2307417 (27.09.2007)
способ получения бис(трифторметил)имидо-солей -  патент 2278109 (20.06.2006)
конденсатор с двойным электрическим слоем -  патент 2166219 (27.04.2001)

Класс H01G9/145 конденсаторы с жидким электролитом

Наверх