PDF《最小的大容量电容器——Evans 混合电容器》

第10 期电子元件与材料Vol.

21 No.10

2002 年10 月ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS Oct.

2002 最小的大容量电容器――Evans 混合电容器 David A. Evans (Evans Company,

72 Boyd Avenue, East Providence, RI 02914) 摘要:介绍了一种由钽阳极、Ta2O5 介质、液体电解质和 RuO2 阴极组成的高能量密度电容器――Evans 混合电容 器(Evans Hybrid capacitors) .它具有与电化学电容器相当的能量密度和比电解电容器更完善的交流特性.单元工作 电压达

215 V.目前已实现了用改进封装技术将若干个该类电容器并联封装在同一外壳内.给出了

50 V,18 mF 混合 电容的性能数据. 关键词: 混合电容器;

电解电容器;

电化学电容器 中图分类号: TM535+ .1 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(2002)01-0013-03 The Littlest Big Capacitor―An Evans Hybrid David A. Evans (Evans Company

72 Boyd Avenue, East Providence, RI 02914) Abstract: High-energy-density capacitors with a tantalum metal anode, Ta2O5 dielectric, aqueous electrolyte, and RuO2 cathode have been described. Known as Evans Hybrid capacitors, these devices have the high energy density of electrochemical capacitors with the improved a.c. behavior of electrolytic capacitors. Single-cell working voltages up to

215 volts have been demonstrated. Capacitors of this type, with multiple elements arranged in parallel within a single case, and improved packaging techniques have now been assembled. Performance data on a

50 V,

18 mF hybrid capacitor are presented. Key words: hybrid capacitors;

electrolytic capacitors;

electrochemical capacitors 电解电容器的工作电压高、交流特性好、成本低;

电化学电容器的能量密度高、功率大,成本尚有下降 的余地. Evans 公司研制的混合电容器 (Evans Hybrid capacitors, 专利号:US 5, 369, 547)具有这两种电容 器的优点.Evans 混合电容器用大容量电化学电容器 阴极取代电解电容器的阴极.电化学电容器阴极的体 积很小,省下的空间可用于增大阳极尺寸.因此,电 容器的能量密度可成倍增长.混合电容器已引起了通 常采用钽或铝电解电容器的领域的关注.混合电容器 可用于脉冲电源、滤波器和通信设备.它的容量可达

1 F,工作电压可达

450 V. 电气和电子设备 (尤其是后者) 的性能改进很快, 电容器的性能也必须随之而改进.对电容器而言,需 要改善的性能主要是电性能和能量密度.Evans 混合 电容器具有电化学电容器的能量密度和电解电容器的 交流电性能.

1 讨论 电解电容器实际上是两个串联电容器组成的,它 们通过电解质连接在一起,其总容量 CT 可用下式表 示: 1/CT = 1/CA + 1/CC (1) 式中:CA 为阳极容量;

CC 为阴极容量. 由该式可以看出,CT 比CA 或CC 小.经电化学氧 化处理后, 电解电容器电极上形成了一层介质氧化物. 调整它的厚度可获得所需的单元工作电压 (cell working voltage). 电化学电容器也是一对通过电解质串接的电容器 组成的.它们的功能相当于电极.电化学电容器与电 解电容器的电荷存储方式不同.另外,电化学电容器 没有介质.电化学电容器靠双电层存储电荷.一种被 称为赝电容器的化学电容器以可逆变电化学方式将电 荷存储在电极的氧化物上.用于赝电容的 RuO2 比率 容量很高,电极质量比率容量可达

100 F/g 级.因电 化学电容器没有介质,它的单元电压受电解质击穿电 压的限制.对液态电解质而言,单元电压约为

1 V/单元.为了能在高电压下工作,就必须增加串接单元的 数量.这样势必会增加成本.解决电压平衡问题的常 用方法是减小单元电压,降低能量密度,提高电化学 电容器在高电压下的可靠性. Evans 混合电容器既发挥了赝电容器电极能量密 度高的固有特点,又保持了电解电容器单元电压高、 研究与试制R&D14 电子元件与材料2002 年 比率容量(rate capability)高、设计简单的优点.图1所示,系双阳极混合电容器.虽然这些混合电容器都具 有和电化学电容器相似的叠层结构,但它们都只有一 个单元.1 至4个阳极的混合电容器的结构大体上都 是一样的. 图1混合电容器原型原理 Fig.1 Protype hybrid capacitor schematic view 这些混合电容器采用了 0.5 mm 厚的热塑性聚丙 烯外壳封装.焊片从阴极箔引出;

导线从阳极引出. 先通过盖子上的孔将电解质加入,然后用聚合物密封 剂将孔密封.它同时还起到支撑镍焊片的作用.阳极 片是用商用级钽粉压制,然后按常规方法真空烧结而 成的.密度约为

5 g/cm3 .阳极上的 Ta2O5 介质是在磷 酸溶液中用电化学方法形成的.在0.05 mm 钽箔的一 面或两面涂敷 RuO2,即形成阴极.容量约为每面

140 mF.电极由 0.13 mm 的无纺隔离片隔开.用硫酸溶液 作电解液. 图2所示,系3阳极混合电容器各部分所占的体 积比.电解质所占的体积较大,其中包括填充阳极间 空间的电解质.图3所示,系同一电容器的各部分的 质量比.它的有效部分,即电极和电解质的质量占 90%.是同类电容器中,封装效率最高的.这有利于 提高能量密度.图中的"其他"项包括隔离片和端头. 图2混合电容器各部分所占的体积比 Fig.2 Volume fraction for hybrid capacitor components 图3混合电容器各部分所占质量比 Fig.3 Weight fraction for hybrid capacitor components RES 对电容器性能至关重要.电化学电容器的 RES 与 单元几何面积及电极厚度的关系最为密切.混合电容 器的情形与此相似.为研究阳极和介质厚度对 RES 和 交流性能的影响,制作了若干只电压和电容额定值不 同的混合电容器试样.表1列出了

3 种不同规格电容 器的 RES.

12 g 的阳极的厚度为

6 g 的阳极厚度的两倍. 由表

1 可见,增加并联阳极数量或降低阳极厚度,的 确可以如预计的那样,降低 RES.这样,设计 RES 时, 就不必考虑电压或电容额定值. 表1混合电容器特性 Tab.1 Hybrid capacitor characteristics 试样 C / mF (120 Hz) V / V RES / ?? (1 kHz) m / g d*h / mm ma / g 阳极数量

1 18.0

50 20.0

56 36 *12

12 3

2 18.1

28 10.2

30 36 *

8 6

3 3 8.0

32