摘要: 介紹了導電高分子聚合物電解質的特點,和導電高分子聚合物固態電容器原理,分析了導電高分子聚合物固態電解電容器的特性。
關鍵詞:導電高分子聚合物,離子導電,電子遷移,聚噻吩,導電高分子聚合物固態電解電容器,頻率特性, 溫度特性。
1.綜述
導電高分子聚合物指的是具有長鍵結構的一類聚合物，雖然這類材料處於本徵態的電導率比一般具有共軛結構的聚合物要高，但它們還是絕緣體或準半導體，將導電高分子從絕緣態轉變成導電態需要從分子鍵中遷移出電子，即所謂的摻雜，導電聚合物是由具有共軛л鍵的聚合物經化學或電化學的摻雜而形成或導電聚合物,除具有高分子聚合物的一般結構特點外還含有一價的對陰離子（P型摻雜）或陽離子（N型摻雜）。導電聚合物最引人注目的一個特點是其電導率可以在絕緣體——半導體——金屬態（10-5~10 5 S/cm)較寬的範圍內變化，這是其他材料無法比擬的。除最早的聚乙炔（PA）外主要有聚呲咯（PRY）聚噻吩(PEDOT)聚對苯乙烯（PPV）聚苯胺（PANI）。導電聚噻吩薄膜由於基電化學合成工藝簡單，價格相對較低，具有較高的導電率和在空氣中有良好的穩定性，被認為是一種有著很大應用前景的導電高分子材料，近年來逐漸成為國內外導電聚合物研究應用領域的熱點材料，導電固態高分子聚合物聚噻吩電解電容的出現就是一個典型的例證。
導電聚合物經過近20年的發展已經成為一門較為成熟的跨學科，綜合研究領域,重量輕，可加工性好，耐腐蝕和導電性是這類物質的特點，由於同時具有聚合物的柔韌性以及半導體特性或金屬導電性，這類共軛導電聚合物具有潛在的巨大應用價值，在導電聚合物中聚噻吩及其衍生物佔有相當大的比重,作為其中的一種聚3,4-乙撐二氧噻吩（PEDOT）因為具有高的穩定性和導電性受到了廣泛的注意和應用。
2. 導電高分子固態聚合物鋁電解電容器的基本原理
與溼式鋁電解電容的結構相似，固態導電高分子聚合物鋁電解電容器就是把溼式鋁電解電容器中的液態電解液用固態電解液代替，它的正極箔仍然是鋁腐蝕箔，其氧化膜是介質，介電常數為8-10，介電強度高769KV/mm，在氧化膜的孔洞中填充固態導電高分子聚合物充當物理意義上的負極，電解紙起隔離負極箔與正極箔的作用，負極箔僅起把電流導入導電高分子聚合物的作用。固態導電高分子聚合物鋁電解電容器的生產工藝與傳統的溼式鋁電解電容器就是在含浸工藝有區別，導電高分子聚合物固態電解電容器在含浸時，先是含浸導電高分子聚合物的單體，讓單體的溶液充滿氧化膜的孔洞和電解紙，然後再含浸氧化劑，在一定的條件下，單體和氧化物聚含在正極箔表面的孔洞中，電解紙和負極碳箔多孔碳中形成導電膜，亦物理學上陰極。
相比液態電解液，高分子導電聚合物是固態在280℃以下，不存在產生汽化的問題,沒有氣化逃逸的問題，PEDOT相比聚吡咯有更好的穩定性，故對密封材料和工藝沒有液態那樣的嚴苛，謹要求密封是為了防止外部的潮氣，故相比而言，在高溫下工作固態高分子聚合物電解電容器更合適。
3.固態導電高分子聚合物鋁電解電容器電容的性能研究
A.固態導電高分子聚合物鋁電解電容器等效串聯電阻和額定紋波電流
PEDOT另一個重要特點是電導率高，10∽80S/cm，比起液態電解液的電導率要高出幾十倍，所以固態高分子聚合物的損耗與液態鋁電解電容相比是更小，所以固態高分子電解電容的等效串聯電阻ESR也較液態電解電容的要小，以下是固態高分子導電聚合物電解電容器的ESR與溼式鋁電解電容器的比較
ESR 主要影響電容器的發熱,當流經電容器的紋波電流為Ir,則在單位時間內的發熱量:
Q=Ir2*ESR
電容器的發熱量主要來於此,此熱量產生的後果就是電容器內部溫度上升,這就造成電容器壽命縮短,故為了保證電容器的壽命,各規格的電容器都有一個額定紋波電流,在電容器內部容許溫升,散熱條件(體積)一樣情況下,ESR 越小,額定紋波電流就越大。因固態高分子導電聚合物鋁電解電容器的等效串聯電阻ESR遠小於同規格同體積的溼式鋁電解電容器的ESR,故固態高分子導電聚合物鋁電解電容器的額定紋波電流遠大於溼式鋁電解電容器的額定紋波電流。這就意味著在相同的紋波電流下導電高分子固態聚合物鋁電解電容器的溫升比同規格的溼式鋁電解電容器的溫升要低。
以下的圖是兩種電容器的ESR 實測值:(表一)
不同溫度特性測試表
溫度(℃)
CN 6.8μF/250 10*12
RD 6.8μF/250 8*12
C
(μF)
DF(%)
Z
(Ω)
ESR
(Ω)
Cx
(μF)
DF(%)
Z
(Ω)
ESR
(Ω)
-60
5.419
1.32
244.6
3.2329
4.09
432.4
1446.9
1402.980
-50
5.628
2.19
235.6
5.1639
5.4053
201.5
551.56
494.720
-25
6.473
1.75
204.8
3.5875
6.525
24.67
208.91
50.173
0
6.975
2.83
190.1
5.3843
6.762
5.47
196.25
10.734
28
7.358
1.140
180.414
2.060
6.357
3.223
208.823
6.811
50
7.405
1.21
180.49
2.1684
7.018
2.07
190.42
3.914
75
7.374
1.17
176.32
2.1054
6.901
2.12
188.83
4.077
100
7.536
1.39
181.43
2.4476
7.005
1.78
193.44
3.372
125
7.557
1.35
181.65
2.3705
7.121
1.75
192.31
3.261
表中的樣品:CN6.8μF/250V是固態高分子導電聚合物(PEDOT)電解電容器,RD 6.8μF/250V是溼式鋁電解電容器以上樣品均是肇慶綠寶石電子有限公司的產品。
表中的溫度是指樣品電解電容器置於該溫度下的恆溫試驗箱四小時再測量樣品的參數。
測試條件:電平:1.0V 偏置0.0V 模式:串聯,頻率:120HZ。
測試儀器:同惠TH2828
由表一看出在相同溫度時,固態高分子導電聚合物鋁電解電容器的ESR小,溼式鋁電解電容器的ESR 大，而廠家提供的額定紋波電流為：
RD6.8μF/250V額定紋波電流:220ｍA/100KHZ,105℃, CN6.8μF/250V額定紋波電流 :1220ｍA/100KHZ,105℃
固態高分子導電聚合物鋁電解電容器的額定紋波電流遠大於溼式鋁電解電容器的額定紋波電流。
B.導電高分子聚合物固態電解電容器的溫度特性
溼式鋁電解電容器電解質是液態的其導電主要是靠電解液中的離子，但是導電離子的來源是溶於電解質溶劑中各種鹽，鹽的溶解度受溼度影響較大，溫度越低，鹽的溶解度就越小，電離出的離子就越少，導電能力就越差，故一般溼式鋁電解電容工作下限溫度為-55℃
固態高分子導電聚合物電容器的電解質是高分子導電聚合物，它是固態電解質，導電主要是靠導電高分子摻雜後聚合物形成鹽類產生電流的是共軛雙鍵上的電子移動，因此其導電性對溫度相比液態電解質是不敏感的，故其工作溫度範圍是很安全的+125℃∽-55℃,在這樣的環境溫度下使用固態高分子導電聚合物電容器的,其性能變化小,在可以接受的範圍內,也就是說不會影響主機的性能。
將表一的內容C ,DF Z ESR 分別隨溫度變化的曲線如下(表二)
A
B
C
D
由上面幾個曲線可以看出在0℃以上時，兩種電容器的電容器參數穩定性相差不大，是高分子導電聚合物固態電解電容器穩定性優先。在低溫時兩種電容器的電容器參數穩定性相差很大，高分子導電聚合物固態電解電容器穩定性明顯領先。按電解電容器行業的｜Z（20℃）/Z（-40℃）｜≤3的標準，由圖C 看出高分子導電聚合物固態電解電容器的下限溫度在-60℃，遠比溼式鋁電解電容器的下限溫度低，其他的C，DF，ESR 參數也有相同的結論，這也就是說導電聚合物固態電解電容器溫度穩定性好，使用環境溫度範圍寬，低溫穩定性比其溼式鋁電解電容要好。這點對LED路燈特別重要。
C.高分子導電聚合物固態電解電容器頻率特性:
因為電解質的導電機理不同，在交變電場作用下電子受電場力作用快速的遷移，而溼式鋁電解電容器中導電是離子，離子質量遠大於電子質量，在高頻越高時，溼式鋁電解電容器的容量較固態導電高分子聚合物鋁電解電容器衰減要大的多，這點在用於高頻濾波電路時要特別的注意。
以下是兩種鋁電解的頻率特性實測之數據
不同頻率特性測試表
頻率(HZ)
CN 6.8μF/250 10*12
RD 6.8μF/250 8*12
Cx
(μF)
DF
(%)
Z值
(Ω)
ESR
(Ω)
Cx
(μF)
DF
(%)
Z值
(Ω)
ESR
(Ω)
100
7.327
1.10
217.60
2.3860
6.884
1.93
231.70
4.642
200
7.289
1.13
109.33
1.2460
6.846
2.76
116.52
3.386
300
7.269
1.18
73.08
0.8690
6.823
3.60
77.95
2.96
400
7.253
1.22
54.92
0.6760
6.803
4.44
58.64
2.737
500
7.241
1.26
44.01
0.5600
6.787
5.27
47.04
2.597
600
7.23
1.30
36.72
0.4830
6.773
6.09
39.30
2.499
700
7.221
1.33
31.47
0.4240
6.759
6.92
33.72
2.424
800
7.213
1.38
27.60
0.3860
6.747
7.75
29.61
2.371
900
7.206
1.42
24.46
0.3510
6.735
8.59
26.28
2.326
1k
7.2
1.47
22.12
0.3280
6.725
9.38
23.80
2.29
2k
7.16
1.85
11.12
0.2080
6.649
16.91
12.16
2.082
3k
7.131
2.19
7.44
0.1650
6.591
24.19
8.30
1.997
4k
7.107
2.50
5.60
0.1410
6.539
31.28
6.40
1.949
5k
7.086
2.78
4.50
0.1265
6.490
38.22
5.27
1.917
6k
7.065
3.04
3.76
0.1151
6.443
45.02
4.54
1.891
7k
7.047
3.26
3.26
0.1067
6.399
51.40
4.05
1.871
8k
7.027
3.48
2.83
0.0991
6.353
58.30
3.64
1.853
9k
7.011
3.65
2.55
0.0934
6.314
64.10
3.37
1.838
10k
6.994
3.83
2.28
0.0876
6.271
71.10
3.13
1.822
11k
6.868
4.88
1.16
0.0566
5.960
129.30
2.20
1.742
30k
6.792
5.46
0.78
0.0426
5.725
182.60
1.95
1.706
40k
6.746
5.93
0.59
0.0348
5.521
231.80
1.84
1.684
50k
6.718
6.39
0.47
0.0301
5.333
277.10
1.78
1.669
60k
6.699
6.88
0.40
0.0272
5.153
319.40
1.74
1.659
70k
6.689
7.39
0.33
0.0246
4.953
363.30
1.71
1.649
80k
6.68
7.89
0.30
0.0234
4.802
393.50
1.70
1.643
90k
6.679
8.16
0.28
0.0226
4.703
412.30
1.68
1.637
100k
6.674
9.03
0.24
0.0218
4.515
460.30
1.67
1.63
表中的樣品:CN 6.8μF/250V是固態高分子導電聚合物(PEDOT)電解電容器,RD 6.8μF/250V是溼式鋁電解 電容器以上樣品均是肇慶綠寶石電子有限公司的產品。
表中的溫度是指樣品電解電容器置於該溫度下的恆溫試驗箱四小時再測量樣品的參數。
測試條件:電平:1.0V 偏置0.0V 模式:串聯，測試溫度：28℃
F
G
H
H
由上面的圖表可以看出,隨頻率的增加,兩種電容器的容量都在減少,但溼式鋁電解電容器的衰減遠大於固態高分子導電聚合物鋁電解電容器,這也就是說在高頻電路裡濾波,選用溼式鋁電解電容器,則其容量要足夠大才能達到一定的濾波效果,在達到相同濾波效果的情況下若選用高分子固態導電聚合物鋁電解電容器,則容量可以減小,這對電路的小型化有很重要的意義。
同樣的，隨頻率的增加,兩種電容器的其他參數都在減少，但溼式鋁電解電容器的衰減遠大於固態高分子導電聚合物鋁電解電容器。
這也就是說在高頻電路裡，高分子固態導電聚合物鋁電解電容器濾波效果更好。
4.結論:
從上述的理論和實例可以看出固態高分子導電聚合物鋁電解電容器在性能上比溼式鋁電解電容器有很大的優勢,隨著固態高分子導電聚合物鋁電解電容器的耐壓的提升,就會進入全面取代溼式鋁電解電容器的時代。
感謝：
肇慶綠寶石電子有限公司技術中心馬彥斌、伍偉橋、趙振宇、江靜常為本文提供測試和數據處理所做的工作。
參考文件：
1）導電聚合物 中國科學院化學研究所有機固體國家重點實驗室 北京100080 李永舫 <<化 學 進 展>> 第 14 卷 第 3 期2002 年5 月
2） 以聚二氧乙烯噻吩導電性高分子作為鋁電解電容器
固態電解質之特性研究 蘇湟洺 大同大學化學工程研究所 碩士論文
3）Beryl AluminumElectrolytic Capacitors. (2013-2014）
4）Beryl ConductivePolymer Aluminum Solid Electrolytic Capacitors. (2013-2014)
以上論文已在《IT時代周刊》2014年第14期 總第300期刊登，版權所有，抄襲必究。