导电高分子在固体钽电解电容器中的应用

导电高分子 在固体钽电解电容器中的应用 一、引言 ? 随着电子技术向自动化和小型化发展，也要求钽电解电 容器朝着小型化、片式化、高性能的方向发展。阴极材料 不仅严重影响钽电解电容器的电容量、损耗角正切、等效 串联电阻和阻抗的温度频率特性，而且严重影响钽电解电 容器的漏电流、纹波特性、温度特性、使用寿命和可靠性， 因此，改进和开发新型阴极材料是提高钽电解电容器性能 的重要途径。 ? 目前钽固体电解电容器的阴极材料主要是二氧化锰。但 是二氧化锰钽电解电容器存在诸多问题。 ￥ ? 近年来，随着导电高分子的迅速发展，许多研究工作者 用聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩、聚苯胺(Polyaniline)以及 它们的衍生物等导电高分子来代替二氧化锰。 导电高分子钽电解电容器 和二氧化锰钽电解电容器的比较 ? 由于导电高分子可以在室温的条件下合成，不需要热分解， 减少了对氧化膜的破坏，这可以减少中间形成次数。由于导电 高分子的电导率（1～100 S/cm）远高于二氧化锰电导率（0.1 S/cm），因此与二氧化锰钽电解电容器相比，导电高分子钽电 解电容器具有极低的Res 和阻抗，在高频区域具有较高的电容 量和较小的损耗角正切，大大减小高频时的噪声，而且容许更 大的纹波电流。 ? 由于钽电解电容器的氧化膜难免会存在裂缝、夹杂物或杂质， 导致漏电流增大，因此电容器的自愈性很重要。对于液体钽电 解电容器，瑕疵处的钽金属被氧化，形成新的氧化膜，具有自 愈性。 ￥ ? 导电高分子钽电解电容器也有两种可能的自愈方式。由于导 电高分子中不存在大量的氧，不容易使钽电解电容器因燃烧而 失效。 二、在钽电解电容器的应用 ? 目前用于钽电解电容器的导电高分子有聚吡咯、聚乙撑 二氧噻吩（PEDOT）和聚苯胺等。虽然在通常条件下它 们都可以达到较高的电导率，但聚合条件与聚合环境对电 导率有显著的影响。由于钽阳极体结构复杂，表面还有一 层介质氧化膜，因此如何在其表面形成完整、均匀的高导 电、高稳定的聚合物膜层，且又能尽量减少对介质氧化膜 的破坏，是制造导电高分子钽电解电容器的关键所在。 ? ? ? 1．聚吡咯钽电解电容器 2．聚乙撑二氧噻吩钽电解电容器 3．聚苯胺钽电解电容器 1．聚吡咯钽电解电容器 ? 由于掺杂聚吡咯具有较高的电导率（10～100 S/cm）、 良好的稳定性和掺杂性，因此用聚吡咯来代替二氧化锰引 起了许多钽电解电容器生产商的关注。日本NEC、 Matsushita 等公司对它进行了较系统的研究。最近NEC 开发出的NEOCAPACITOR，就是以聚吡咯为阴极材料的 鉭电解电容器，其

结构如图1 所示。 ? 用聚吡咯代替二氧化锰作为钽电解电容器的阴极材料， 可以使电容器具有极低的Res 和阻抗，在1 kHz以上的频 率范围内，其Res 低于传统MnO2 钽电解电容器的1/5，这 就大大减小了高频时的噪声，并可容许更大的纹波电流， 另外也具有较小的漏电流，其原因是聚吡咯钽电解电容器 从局部温度升高到300℃就开始绝缘，而MnO2 钽电解电 容器则要待局部温度升高到600℃左右才开始绝缘。 ? 为了寻求最佳的聚吡咯被覆工艺，1995 年NEC公司的 M.Satoh 等人试验了多种在钽阳极体上被覆聚吡咯的方法： 电化学聚合法、化学氧化聚合法，以及电化学聚合和化学 氧化聚合相结合的方法。￥ 2．聚乙撑(烯)二氧噻吩钽电解电容器 (3, 4-Polyethylene dioxythiophene, 简称PEDT) ? 最近PEDOT 由于其良好的 环境稳定性，引起了人们的 关注。Matsushita 研究院的 Yasuo Kudoh等人在含有 EDOT、Fe2(SO4)3、烷基萘 磺酸钠和对硝基苯的水溶液 中合成了PEDOT。烷基萘磺 酸钠和对硝基苯分别用作乳 化剂和增强环境稳定性的添 加剂。所得PEDOT 的最初电 导率是30 S/cm。并比较了 PEDOT 和他们通过化学氧化 聚合得到的最稳定的聚吡咯 的环境稳定性（图9）。 ￥ ? 下图 为所研制的导电高分子PEDT 固体钽电解电容器的 结构示意图。如结构图所示,固体钽电解电容器的阴极是 紧附于Ta2O5 介质氧化膜表面的PEDT 导电膜,而不是传统 的MnO2 。固体钽电解电容器的阴极引出则是在PEDT 导 电膜表面再涂覆石墨和银浆并焊接引出线而成。 ? 经过对导电高分子PEDT 固体钽电解电容器的分析和试 验研究,可以得到以下的结论: ? (1) 改进和开发阴极材料是提高钽电解电容器性能的重要 途径。 ? (2) PEDT 取代MnO2 作钽固体电解电容器的阴极,不仅具 有电导率高、生产工艺简单的优点,而且其可靠性大大提 高。 ? (3) PEDT 取代MnO2 作钽固体电解电容器的阴极,可以显 著降低电解电容器Res值,明显改进Res—频率、容量—频 率特性。 3．聚苯胺钽电解电容器 ? 聚苯 胺由于其良好的环 境稳定性，低廉的价格也 引起了人们的关注。1996 年NEC 公司的H. Ishikawa 等人用新型质子酸间苯二 甲基二磺酸（XDSA）作为 掺杂剂，通过化学氧化法 制得聚苯胺。其电导率达5 S/cm。在125℃空气中热 处理1 000 h，电导率没有 变化(图12)。所得聚合物 显示出良好的热稳定性， 这种热稳定性与使用XDSA 作掺杂剂有关。 ￥ 三、展望 ? 改进和开发新型阴极材料是提高钽电解电容器 性能的重要途径。用导电高分子如聚吡咯、 PEDOT 和聚苯胺代替传统二氧化锰作为钽电解 电容器的阴极材料，可以降低电容器的等效串联 电阻，提高电容器的

高频特性。如何在结构复杂 的钽阳极体上形成完整、均匀的高电导率和高稳 定性聚合物膜层，同时尽量减少对介质氧化膜的 破坏，是制造导电高分子钽电解电容器的关键所 在，也是人们研究的重点。 参考文献 ? [1] 杨红生,周 啸,楚红军,于家宁．导电高分子钽电解电容 器的研究进展．电子元件与材料．2003年7月, 第7期 ? [2] 熊平．导电高分子在固体钽电解电容器中的应用．成 都电子机械高等专科学校学报．2004年第4期 ? [3] 杨亚杰,吴志明,蒋亚东,徐建华．导电聚合物PEDT 对 固体钽电解电容器频率特性的改善．电子元件与材 料．2004年4月, 第4期 ? [4] 陈湘宁．导电聚合物BA YTRON R 及其在固体电解电 容器上的应用．电子元件与材料．2000年6月