一种液冷却电源用铝电解电容器及其制备方法与流程

1.本发明涉及电容器技术领域，尤其是涉及一种液冷却电源用铝电解电容器及其制备方法。


背景技术：

2.铝电解电容器由于其容量密度高的特点，在储能、滤波、平滑电压等方面具有不可替代的地位；服务器设备是整个网络通信系统的核心，铝电解电容器在其电源单元及各功能模块的供电等位置得到了大量的应用，为服务器的运行提供稳定干净的电压、电流，是保证整个系统可靠运行的关键器件。
3.随着通信基站的智能化，在电源设计方面，电容器不仅需要确保大容量，还需在高温高湿环境下具备优异的耐用性以确保更长的使用寿命。对于解决高温密度数据中心散热问题，比传统系统来说，更具备优势的，就是当前新起流行的液冷技术，当传统风冷无法满足需求时，液冷成了数据中心未来发展的不二选择，液冷技术它不仅降温快、能耗低，而且是最环保的；直接式液冷，又称浸没式冷却，是将电子设备直接放入充满诸如氟化液、硅油、合成油等之类的绝缘性液体中，通过绝缘液体的流动来带走元器件产生的热量，绝缘液体通过换热器与外部冷源进行热量交换，通过泵提供动力形成循环冷却系统。由于浸没式冷却的众多优势，越来越多的被工程师们关注，尤其是在服务器行业，已经有了非常多要求的应用；同时也将推动着铝电解电容器向高可靠性、耐高纹波、低阻抗、长寿命、高密封性等的方向规范设计。
4.目前用在液冷却电源的铝电解电容器一般是耐高温105℃、长寿命铝电解电容器，如中国发明专利公开的一种耐高温长寿命的铝电解电容器，包括设置有开口的壳体和用于密封所述开口的盖体，所述壳体内设置有芯包，所述芯包吸附有电解液；所述芯包由阳极箔、电解纸和阴极箔卷绕而成；所述阳极箔是由铝箔经过四级化成、再化成和干燥处理制备而成，其中四级化成的化成液为硼酸溶液，四级化成中化成液的浓度依次增大；再化成的化成液为磷酸二氢铵溶液；所述电解液的组分按重量百分含量计包括：主电解质：5％-15％；辅助电解质：1.8％-5％；溶剂：60％-85％；闪火电压提高剂：4％-10％；稳定剂：4％-12％；消氢剂：0.2％-1％；纳米sio2溶胶：0.2-1％。但是具体实践时，由于工作电解液配方不佳，高温会使漏电流增大加速电解液的分解(阳极出现氧化，阴极电离出气体)，随使用温度的上升活性增强，很容易和电极反应，使电容器内蒸汽压提高，特别是工作温度超过105℃时，会使电容器容量变小，损耗变大，漏电流剧增；胶塞因为使用太久，导致橡胶老化、龟裂而引起漏液现象，使工作电解液逐渐干涸，丧失修补阳极氧化膜介质的能力，导致电容器电参数恶化而失效，从而缩短电容器的寿命，而且在丁基橡胶中现有技术大多数使用物质的硫和氯含量太高，导致容易使橡胶和铝发生电气腐蚀反应，导致电容使用寿命终止。因此常规耐高温长寿命铝电解电容器是无法适用在液冷却专用电源上。


技术实现要素：

5.为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种液冷却电源用铝电解电容器及其制备方法。
6.本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
7.一种液冷却电源用铝电解电容器，其包括壳体及设置在所述壳体内的驱动用电解液、阳极箔和阴极箔，所述驱动用电解液由以下成份按百分比组成：溶剂45～67％、溶质20～38％和添加剂10～18％；
8.所述溶质由以下成份按百分比组成：己二酸铵40～55％、l,10-十二双酸铵18～28％、甲酸铵或丁二酸铵10～16％、马来酸铵5～10％、硼酸盐2～8％、支链羧酸盐0.8～1.3％；所述添加剂由以下成份按百分比组成：磷酸二氢铵45～62％、聚合硼酸酯14～25％、烷氧基8～16％、铬酸酐5～12％、钼酸0.5～1.3％、聚合脂肪酸0.8～2％；
9.所述阳极箔为采用癸二酸铵与磷酸混合液化成后的阳极箔。
10.作为本发明提供所述的液冷却电源用铝电解电容器的一种优选实施方式，所述溶剂由以下成份按百分比组成：γ-羟基丁酸内酯50～62％、γ-丁丙酯25～34％、乙二醇8～14％、苯甲醇2～6％。
11.采用γ-羟基丁酸内酯为主溶剂，γ-丁丙酯、乙二醇、苯甲醇为辅助溶剂。γ-羟基丁酸内酯具有高溶解能力，沸点高，冰点低，其反应性能好，热碱中可产生可逆性水解，电导率高，稳定性好，使其在高温下条件下抑制酯化的能力加强，从而提高了高温稳定性，而且对溶质和添加剂有较好的溶解性有，而对封口胶塞不产生溶胀作用，使整个溶剂体系有宽阔的温度范围，满足了工作电解液-40～+135℃。
12.溶质是提供修补氧化膜，维持电容器正常工作的正、负离子或离子基团的主要成份。本发明溶质：己二酸铵、l,10-十二双酸铵、马来酸铵、硼酸盐，加入支链羧酸盐，热稳定性较优，并有化学自行修复能力；并加入甲酸铵或丁二酸铵，溶解度大，容易配制出浓度高、电导率高的工作电解液。
13.添加剂是调节电解液粘度、电阻率钝化氧化膜等作用。本发明添加剂：磷酸二氢铵、聚合硼酸酯、烷氧基，其中磷酸二氢铵是稳定贴附在铝箔表面，对氧化膜形成保护层，提高了铝箔的高温稳定性；因介质氧化膜的绝缘质量受到形成工艺及原材料纯度的影响，在其表面不可避免的存在各种缺陷，在电场作用下，这些缺陷就会形成离子电流，它与氧化膜电子电流就构成了漏电流，通过增加铬酸酐、钼酸抑制漏电流增大；高温135℃下，电解液中成分会发生化学反应生成水，水的危害性极大，一与氧化膜生产水合作用，加速氧化膜的劣化，需要一种添加剂来抑制水份的破坏作用，选用聚合脂肪酸作为抑制和消除水份引起的电容器内压力上升的添加剂，效果显著。
14.作为本发明提供的所述的液冷却电源用铝电解电容器的制备方法的一种优选实施方式，所述阳极箔采用癸二酸铵与磷酸混合成处理液，处理温度控制在75～90℃，处理时间为40～60秒，施加阳极氧化电压为3-6v的铝箔。所述处理液组成原料各组分的重量百分比为：癸二酸铵10～20％、磷酸0.8～3％，余量为水。本发明采用采用癸二酸铵与磷酸混合成处理液化成后的阳极箔具备耐高温的特性，提高氧化膜强度，能使产品在高温工作中不被腐蚀和劣化。
15.作为本发明提供所述的液冷却电源用铝电解电容器的一种优选实施方式，所述壳
体具有一个开口，所述开口封装有封口胶塞，其中的封口胶塞采用硫载体的硫化体系进行真空硫化成型工艺制得。其中，真空硫化成型工艺过程如下：将如三元乙丙橡胶或丁基橡胶等封口材料、硫化剂和硫载体进行混炼，出料；然后在硫化仪上进行真空硫化成型，接着将模压成型得到的样品放入鼓风干燥箱中进行二次硫化，得到封口样品。
16.电解电容器的封口胶塞是非常重要的部材之一，原因是直接与电容器的密封性和稳定性有关；本发明采用硫载体的硫化体系进行真空硫化成型工艺的胶塞，有利于提高胶塞的架桥密度，耐热、耐化学品；进而提升胶塞的密封性能。
17.作为本发明提供的所述的液冷却电源用铝电解电容器的一种优选实施方式，所述封口胶塞通过束腰工艺封装在所述开口上，其中束腰中心线位于所述封口胶塞中部位置。
18.电容器产品要求长寿命，必须密封效果好；束腰工艺中，除了控制束腰直径，还要控制束腰的位置，目前常规的束腰位置是离胶塞下边沿的1/3处或胶塞1/2处及胶塞靠下2/3，但是在生产过程中难以精确的控制，测量数据也没具体体现出来；本案为了确保束腰密封效果，改善束腰位置的控制标准，所述束腰位置计算公式：束腰位置＝胶塞厚度*0.68，能确保束腰中心线位于胶塞中部位置，提升了密封性。
19.上述束腰位置具体为束腰后束腰槽上边缘距离封口顶部边缘的高度。
20.作为本发明提供所述的液冷却电源用铝电解电容器的一种优选实施方式，所述铝电解电容器还包括电解纸，所述电解纸介于所述阳极箔和阴极箔之间卷绕成芯包，所述芯包吸附有所述驱动用电解液。
21.作为本发明提供所述的液冷却电源用铝电解电容器的一种优选实施方式，所述壳体由铝或铝合金制成。
22.一种液冷却电源用铝电解电容器的制备方法，其包括以下步骤：
23.(1)采用癸二酸铵与磷酸混合液对电极箔进行化成，得阳极箔；
24.(2)提供一壳体，在所述壳体容纳芯包，所述芯包为电解纸介于所述阳极箔和阴极箔之间卷绕而成，所述芯包还吸附有上述的驱动用电解液；
25.(3)在所述壳体的开口处通过封口胶塞进行封装；
26.(4)老化。
27.具体地，上述液冷却电源用铝电解电容器的制备方法具体包括以下步骤：
28.(1)采用癸二酸铵与磷酸混合液对电极箔进行化成，得阳极箔；
29.具体为：采用10～20％癸二酸铵和0.8～3％磷酸及水混合成处理液，将电极箔浸入到处理液中进行化成处理，处理温度控制在75～90℃，处理时间为40～60s，施加阳极氧化电压为3-6v；
30.(2)提供一壳体，在所述壳体容纳芯包，所述芯包为电解纸介于所述阳极箔和阴极箔之间卷绕而成，所述芯包还吸附有上述的驱动用电解液；
31.具体为：将电解纸介于化成后的阳极箔和阴极箔之间卷绕得到芯包；将芯包浸入到上述驱动电解液进行含浸处理及烘烤干燥，使得所述芯包吸附所述驱动电解液；然后将烘烤干燥后的芯包置于所述壳体内；
32.(3)在所述壳体的开口处通过封口胶塞进行封装；
33.具体为：提供采用硫载体硫化体系真空模压成型工艺制得的封口胶塞；然后将所述封口胶塞置于所述壳体的开口处，其中所述芯包的引出线穿过所述封口胶塞的预留孔，
接着通过束腰工艺进行封装，其中束腰位置＝胶塞厚度*0.68；
34.(4)老化。
35.本发明具有如下有益效果：
36.本发明所述液冷却电源专用铝电解电容器，工作温度范围可达-40℃～+135℃，具有在高温下长时间防水合的特点，高温长时间使用下稳定漏电流，从而在高温环境下具备优异的耐用性，使用寿命135℃能达3000小时；并解决胶塞因为使用太久，导致橡胶老化、龟裂而引起漏液现象。
附图说明
37.图1为实施例1经135℃下寿命试验3000小时后电容器解剖得到的芯包首卷处阳极箔的示意图；
38.图2为对比例4经135℃下寿命试验3000小时后电容器解剖得到的芯包首卷处阳极箔裂开的示意图；
39.图3为实施例1经135℃下寿命试验3000小时后电容器解剖得到的钉花处阳极箔的示意图；
40.图4为对比例4经135℃下寿命试验3000小时后电容器解剖得到的钉花处阳极箔裂开的示意图。
具体实施方式
41.下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
42.实施例1
43.本实施例提供了一种液冷却电源用铝电解电容器，其包括壳体及设置在所述壳体内的芯包及驱动用电解液，所述芯包由电解纸介于阳极箔和阴极箔后卷绕而成。
44.其中，所述驱动用电解液由以下成份按百分比组成：溶剂55％、溶质35％和添加剂10％；
45.所述溶剂由以下成份按百分比组成：γ-羟基丁酸内酯58％、γ-丁丙酯28％、乙二醇10％、苯甲醇4％；所述溶质由以下成份按百分比组成：己二酸铵40％、l,10-十二双酸铵28％、甲酸铵15.2％、马来酸铵8％、硼酸盐8％、支链羧酸盐0.8％；所述添加剂由以下成份按百分比组成：磷酸二氢铵62％、聚合硼酸酯14％、烷氧基9％、铬酸酐12％、钼酸1.3％、聚合脂肪酸1.7％；
46.所述阳极箔为采用癸二酸铵与磷酸混合液化成后的阳极箔。
47.所述壳体具有一个开口，封口胶塞通过束腰工艺封装在所述开口上，其中束腰中心线位于所述封口胶塞中部位置。其中的封口胶塞采用硫载体的硫化体系进行真空硫化成型工艺制得。
48.上述液冷却电源用铝电解电容器的制备方法，其包括以下步骤：
49.(1)采用癸二酸铵与磷酸混合液对电极箔进行化成，得阳极箔；
50.具体为：采用20％癸二酸铵、0.8％磷酸和79.2％水混合成处理液，将电极箔浸入到处理液中进行化成处理，处理温度控制在85℃，处理时间为60s，施加阳极氧化电压为5v；
51.(2)提供一铝质壳体，在所述壳体容纳芯包，所述芯包为电解纸介于所述阳极箔和阴极箔之间卷绕而成，所述芯包还吸附有上述的驱动用电解液；
52.具体为：将电解纸介于化成后的阳极箔和阴极箔之间卷绕得到芯包；将芯包浸入到上述驱动电解液进行含浸处理及烘烤干燥，使得所述芯包吸附所述驱动电解液；然后将烘烤干燥后的芯包置于所述壳体内；
53.(3)在所述壳体的开口处通过封口胶塞进行封装；
54.具体为：提供采用硫载体硫化体系真空模压成型工艺制得的封口胶塞，封口材料为三元乙丙橡胶；然后将所述封口胶塞置于所述壳体的开口处，其中所述芯包的引出线穿过所述封口胶塞的预留孔，接着通过束腰工艺进行封装，其中束腰位置＝胶塞厚度*0.68；
55.(4)老化。
56.将实施例1制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0057][0058]
实施例2
[0059]
实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：所述驱动用电解液由以下成份按百分比组成：溶剂67％、溶质20％和添加剂13％；
[0060]
所述溶剂由以下成份按百分比组成：γ-羟基丁酸内酯50％、γ-丁丙酯34％、乙二醇14％、苯甲醇2％；所述溶质由以下成份按百分比组成：己二酸铵50％、l,10-十二双酸铵18％、甲酸铵16％、马来酸铵10％、硼酸盐4.7％、支链羧酸盐1.3％；所述添加剂由以下成份按百分比组成：磷酸二氢铵58％、聚合硼酸酯21％、烷氧基14％、铬酸酐5.2％、钼酸1％、聚合脂肪酸0.8％；
[0061]
制备过程中，采用15％癸二酸铵、2％磷酸和83％水混合成处理液，将电极箔浸入到处理液中进行化成处理，处理温度控制在90℃，处理时间为40s，施加阳极氧化电压为6v。
[0062]
将实施例2制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验
结果具体如下：
[0063][0064]
实施例3
[0065]
实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于：所述驱动用电解液由以下成份按百分比组成：溶剂45％、溶质38％和添加剂17％；
[0066]
所述溶剂由以下成份按百分比组成：γ-羟基丁酸内酯62％、γ-丁丙酯25％、乙二醇8％、苯甲醇5％；所述溶质由以下成份按百分比组成：己二酸铵48％、l,10-十二双酸铵25％、丁二酸铵10％、马来酸铵9％、硼酸盐7％、支链羧酸盐1％；所述添加剂由以下成份按百分比组成：磷酸二氢铵45％、聚合硼酸酯25％、烷氧基16％、铬酸酐11.5％、钼酸0.5％、聚合脂肪酸2％。
[0067]
制备过程中，采用10％癸二酸铵、3％磷酸和87％水混合成处理液，将电极箔浸入到处理液中进行化成处理，处理温度控制在75℃，处理时间为50s，施加阳极氧化电压为3v；
[0068]
封口材料为丁基橡胶。
[0069]
将实施例3制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0070][0071]
对比例1
[0072]
对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：所述溶质由以下成份按百分比组成：己二酸铵53％、l,10-十二双酸铵28％、马来酸铵10％、硼酸盐8％、支链羧酸盐1％。
[0073]
将对比例1制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0074][0075]
由上表可知，对比例1中溶剂减少了甲酸铵，其溶解度不大，而且与溶剂中的苯甲醇、乙二醇不易分解，使工作电解液的电导率不高，不能保持闪火电压，降低不了esr和不利
于耐纹波电流能力的提高，导致esr偏大；经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减比较明显，而且df和esr增幅也大。经135℃高温贮存试验1000h后，漏电流增幅比较明显，而且df和esr增幅也大。
[0076]
对比例2
[0077]
对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：所述添加剂由以下成份按百分比组成：磷酸二氢铵62％、聚合硼酸酯20％、烷氧基15％、钼酸1.3％、聚合脂肪酸1.7％。
[0078]
将对比例2制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0079][0080]
由上表可知，对比例2中添加剂减少了铬酸酐，与磷酸二氢铵混合，不能抑制氯离子与铝电极反应，氧化膜介质不耐腐蚀，长时间工作不能保持性能的稳定性，而且不能抑制漏电流增大，导致漏电流偏大；经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减比较明显，而且df、和esr增幅也大，且外观出现底微鼓。经135℃高温试验1000h后，漏电流增幅比较明显，而且df和esr增幅也大。
[0081]
对比例3
[0082]
对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：所述阳极箔为采用癸二酸铵和水化成后的阳极箔，对应地，制备过程中，将电极箔浸入到癸二酸铵处理液中进行化成处理，处理温度控制在85℃，处理时间为60s，施加阳极氧化电压为5v。
[0083]
将对比例3制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0084][0085]
由上表可知，对比例3中仅采用癸二酸铵化成，提高不了氧化膜强度，使产品在高温工作中容易被腐蚀，而且与电解液添加剂中的磷酸二氢铵起不到协同作用，对氧化膜不能形成保护层，提高不了铝箔的高温稳定性；经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减比较明显，而且df、和esr增幅也大，且外观出现底微鼓。经135℃高温试验1000h后，漏电流增幅比较明显，而且df和esr增幅也大。
[0086]
对比例4
[0087]
对比例4与实施例1基本相同，不同之处在于：所述阳极箔为采用磷酸和水化成后的阳极箔，对应地，制备过程中，将电极箔浸入到磷酸处理液中进行化成处理，处理温度控制在85℃，处理时间为60s，施加阳极氧化电压为5v。
[0088]
将对比例4制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0089][0090]
由上表可知，对比例4中仅采用磷酸化成，提高不了氧化膜强度，使产品在高温工作中容易劣化，而且与电解液添加剂中的磷酸二氢铵起不到协同作用，对氧化膜不能形成保护层，提高不了铝箔的高温稳定性；经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减比较明显，而且df和esr增幅也大，且外观出现底微鼓，解剖：阳极箔已劣化，导致芯包首卷处及钉花处铝箔容易裂开，如图2、4所示，而实施例1经135℃下寿命试验3000h后解剖阳极箔未劣化，如图1、3所示，芯包首卷处及钉花处铝箔均完好；经135℃高温试验1000h后，漏电流增幅比较明显，而且df和esr增幅也大。
[0091]
对比例5
[0092]
对比例5与实施例1基本相同，不同之处在于：封口胶塞采用注塑成型工艺制得。
[0093]
将对比例5制得的电容器进行135℃3000h寿命试验和135℃1000h贮存试验，试验结果具体如下：
[0094][0095]
由上表可知，对比例5中采用注塑成型制备封口胶塞，不利于提高胶塞的架桥密度，耐热、耐化学品，提升不了胶塞的密封性能；经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减比较明显，而且df和esr增幅也大。经135℃高温贮存试验1000h后，漏电流增幅比较明显，而且df和esr增幅也大。
[0096]
综上，本发明中，溶质中加入了甲酸铵或丁二酸铵，其溶解度大，容易配制出浓度高、电导率高的工作电解液，而且与分解于溶剂的苯甲醇、乙二醇中，不仅使工作电解液的电导率增加，还能保持闪火电压，降低esr和有利提高产的耐纹波电流能力；添加剂中加入磷酸二氢铵对氧化膜形成保护层，提高了铝箔的高温稳定性，还加入铬酸酐，可抑制漏电流增大，而且与磷酸二氢铵混合，能抑制氯离子与铝电极反应，氧化膜介质不仅耐腐蚀，而且长时间工作能保持良好的性能。同时采用癸二酸铵和磷酸混合液对阳极箔进行化成，不仅提高了氧化膜强度，使产品在高温工作中不容易被腐蚀，而且与电解液添加剂中的磷酸二氢铵起到协同作用，对氧化膜形成保护层，提高铝箔的高温稳定性。再者，本发明采用采用硫载体硫化体系真空模压成型工艺制得的封口胶塞，有利于提高胶塞的架桥密度，耐热、耐化学品，提升了胶塞的密封性能。相比对比例1-5，本发明电容器产品经135℃下寿命试验3000h后，容量衰减不明显，而且df和esr增幅均低，且外观正常，无微鼓。经135℃高温试验1000h后，漏电流、df和esr增幅均较小。
[0097]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。