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铝固体电解电容器电解质研究进展

2022-09-22 来源:客趣旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第l0期 2002年lO月 电 子 元 件 与 材 料 、b1.2l No.10 Oct.2002 ELECTRONIC COMPONENTS&MATERIALS 铝固体电解电容器电解质研究进展 I.TCNQ型铝固体电解电容器 张庆武 ,周 啸 ,一,姜翠玲 ,于家宁 (1.清华大学化工系,北京100084;2.清华大学材料科学与工程研究院,北京有限公司,湖南株洲41 2008) 100084;3.湖南湘怡中元科技股份 摘要:综述了TCNQ及其复合盐的合成方法,TCNQ复合盐型铝固体电解电容器的制造工艺,以及铝固体电解电 容器用电解质——7,7,8,8.四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQ)复合盐的研究进展。目前,高耐热TCNQ复合盐电解质已 经研究成功。TCNQ复合盐型铝固体电解电容器已有引线式和片式两种类型。 关键词:电解电容器;TCNQ;复合盐 中图分类号:TM535 ̄.1 文献标识码:A 文章编号:1001.2028(2002)10.0025.04 Progress in Electrolyte MaterialS Used in Solid Aluminum Electrolytic Capacitors I. Solid Aluminum Electrolytic Capacitors with TCNQ Complex Salt ZHANG Qing-WU。,ZHOU Xiao ,JIANG Cui・lin ,YU Jia・ning (1.Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084;2.School of Materila Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084;3.Hunan Xinyia Zhongyuan Science nd aTechnology Co.,Ltd., Zhuzhou Hunan 412008、 Abstract:Reviewed are the synthesis methods of 7,7,8,8 ̄tetracyanoquinodimethan(TCNQ)and its complex salt,the development in TCNQ complex salt as elcterolyte used in solid aluminum electrolytic capacitors and the technology for manufacturing solid aluminum electroltiyc capacitors.The TCNQ complex slta with high melting point as electrolte usyed in solid aluminum capacitors have been developed.There are two kinds of solid aluminum electrolytic capacitors,chip type and lead type、 Key words"electroltiyc capacitors;tetracyanoquinodimethan;complex salt 电容器是一类基本的电子元件,广泛使用在各种电 子产品中。铝固体电解电容器是近几十年来随着电子产 品对高频特性要求的不断提高,而发展起来的一类新型 电解电容器。在现代通信、计算机、高性能民用及军事 电子产品中有着广泛的应用,据有关统计I1l推测,在2001 年铝固体电解电容器的产值达5亿美元。铝固体电解电 容器的发展主要体现在其所用电解质的演变上。传统的 以二氧化锰为电解质的铝固体电解电容器在制作过程 中要经过反复的高温加热,对电容器的电介质膜极易造 成损伤,致使电容器的漏电流较大。随着人们在有机导 电材料研究方面的不断进展,开发出了许多适合于铝固 固体电解电容器的电解质有TCNQ、聚吡咯、聚苯胺和 聚(3,4一次乙二氧基噻吩)四种。 1 7,7,8,8一四氰基对苯二醌二甲烷复合盐及 其在电解电容器上的应用 1.1 7,7,8,8一四氰基对苯二醌二甲烷的合成 7,7,8,8一四氰基对苯二醌二甲烷(简称TCNQ) 是杜邦公司的研究人员于1959年首次合成的,1961 年,美国ROSS公司在电容器制造中使用了TCNQ的 复合盐r2J。目前,TCNQ的合成方法有以下几种:一 种是由丙二氰与l,4一环己二酮反应制得,在该合成路 线中,又可以采用四种不同的方法,即可以使用N一 体电解电容器使用的新型电解质材料。到目前为止,铝 收稿日期:2002-04-16 修回日期:2002-06.27 作者简介:张庆武(1967一),男・吉林省梅河口市人,现为清华大学化工系高分子研究所博士研究生。E-mail:zhoux@mail.tsinghua.edu.ell。 维普资讯 http://www.cqvip.com 26 电子元件与材料 2002笠 溴代丁二酰亚胺、液溴、二氧化硒【3】或电化学I4】方法 来氧化1,4一二(二氰基亚甲基)环己烷,制得TCNQ。 另一种是由对苯基二丙二氰脱氢制得【5】,第三种是采 用对苯二酰氯为起始原料进行TCNQ的制备Ib’ 。 1.2 TCNQ复合盐的合成方法比较——以N一正丁基 异喹啉TCNQ复合盐为例 N一正丁基异喹啉一7,7,8,8一四氰基醌基二甲烷复 在电容器芯子上形成电容器的阴极Il 。 (5)加热熔融TCNQ复合盐,将电容器芯子在TCNQ 复合盐熔体中浸渍,取出后冷却固化,最后封装Il 。 一系列的研究表明,将TCNQ复合盐直接加热熔 化、浸渍、冷却固化的方法是浸渍TCNQ电解质较好 的方法。TCNQ复合盐在熔融状态下热稳定性的好坏 是该方法能否顺利实施的关键所在。1981年日本三洋 公司(Sanyo Electric Co.,Ltd)成功地开发了OS— CONs系列TCNQ复合盐,实现了TCNQ型铝同体电 解电容器的商品化Il 。 合物的合成有三种方法:日本专利[JP昭64,70471(1986)】 法‘剐,美国专利[US4,568,494(1986)】法【9J和欧洲专利 [EP0,224,207(1987)]' ̄Il 。这三种方法在溶剂用量、 反应时间和反应控制方面有较大的差异。 日本专利法在制备TCNQ复合盐时采用的溶剂量 较少,每克TCNQ用14~20 mL的乙腈。美国专利法 2 铝固体电解电容器用TCNQ复合盐型电解 质的研究进展 2.1正丁基异喹啉TCNQ复合盐 中用了索氏提取器,降低了溶剂的使用量,每克TCNQ 约用12.3 mL的乙腈,但反应时间则大大延长。按欧 1981年日本三洋公司开发的OS—CONs系列 TCNQ复合盐的基本组成是TCNQ与正丁基异喹啉,其 分子结构如图1所示。 在采用上述第5种方法制备铝同体电解电容器 时,TCNQ复合盐 洲专利法制备TCNQ复合盐时采用的溶剂量是每克 TCNQ用35~40 mL的乙腈,反应时间短,易于控制 和操作。 1.3 TCNQ复合盐型电容器的制造过程 在TCNQ型铝固体电解电容器的制造中,电容器 芯子浸渍TCNQ复合盐的过程是重要而关键的。浸渍 TCNQ复合盐的方法有以下几种: (1)先选择适当的溶剂溶解TCNQ复合盐,再 把电容器芯子浸入TCNQ复合盐溶液。由于TCNQ复 合盐的溶解度较低,因此,只有将电容器芯子反复浸 渍,TCNQ复合盐层才能达到足够的厚度。该工艺繁 琐且溶剂消耗量大,而且TCNQ复合盐与电介质膜的 粘接性差。 (2)采用聚合物型粘接剂,改善TCNQ复合盐 与电介质膜的粘接性Il 。用此方法制备电容器时,因 TCNQ复合盐中混有不导电的聚合物粘接剂,致使电 容器的性能下降。 (3)采用加热蒸发沉积法,将TCNQ复合盐沉 由图可见,随 TcNQ复合盐配体 烷基碳原子数/个 图2一T 学 融 温 。。 积到电容器芯子上l 】。该法极易引起TCNQ复合盐的 烷基链的增长,分 解温度与熔融温也仅为50℃左右。 g.2 i 热分解。但若采用离子束辅助加热蒸发法,则可改善 铝固体电解电容器的性能Il 。 (4)电化学沉积法,将TCNQ溶在一定的溶剂 themeltingpoint anddecompositionpoint 度间的距离加大。但即使是己基链,两温度间的差距 文献【15】中给出了在不同温度下,不同类型的 TCNQ复合盐对铝固体电解电容器性能的影响数据, 中,往该溶剂中加入含有正丁基异喹啉阳离子的支持 电解质。电容器芯子浸在此溶剂中,并施以负电位, 正丁基异喹啉阳离子移向阴极,并与TCNQ结合沉析 温度 85℃ 现转列于表1之中。 25℃ 一4O℃ 表l 在不同温度下不同类型的TCNQ复合盐对铝固体电解电容器性能的影响 性能 AC・C-。/%I tg&/l l如/mQ C/IxF l tg&/10 l ,L//aA 凡,mQ AC・(- /%l t2 ,10- I R /mQ P—l P一2 P一3 l5-4 6,2 9-4 l 5,4 l l 3,2 I I 3.2 I 610 320 99 2.31 2.65 2.69 l l l 1.8 1.8 O.95 1 l l 0.11 0.10 O.O8 690 460 lO3 -4,I -5.1 -3.4 I I I 1.8 2,4 O.83 l l l 1 140 1 310 132 维普资讯 http://www.cqvip.com 第l0期 张庆武等:铝固体电解电容器电解质研究进展 27 从表1可以看出,在分别使用正丁基异喹啉TCNQ 复合盐、正丙基喹啉TCNQ复合盐和正丙基异喹啉 TCNQ复合盐制得的铝固体电解电容器中,正丁基异 喹啉TCNQ复合盐型电容器的温度特性最好,其等效 串联电阻、漏电流和损耗最小。因此,在一般的铝固 体电解电容器的制造中,往往都采用正丁基异喹啉 图3 N,N’一烷基一--(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐的分子式 Fig.3 N,N—alkylenedilutidine TCNQ complex salt (TCNQ)3.0-一5.0 TCNQ复合盐作为电解电容器的阴极材料,以满足铝 固体电解电容器对于性能的要求。 2.2戊基异喹啉TCNQ复合盐 戊基异喹啉TCNQ复合盐的熔点及分解温度高于 正丁基异喹啉TCNQ复合盐。异戊基异喹啉TCNQ复 合盐熔化状态下的稳定时间较长,可达90~120 S;正 丁基异喹啉TCNQ复合盐熔化状态下的稳定时间为 表3片式铝固体电解电容器性能 ab.T3 Characteristics ofchip-type capacitors 性能 C/LIF R一1 R一2 1.037 1.oo5 起始值 tgS/l 1.29 2.25 焊接试验后值 /mQ 462 1 236 C/I.tF 1.036 0.988 tgS/10一 1-28 3.92 冠 mQ 459 l 472 —2为N一正丙基异喹啉TCNQ复合盐。 从表3中的数据可以看出,在相同的制备工艺下 N一正丙基异喹啉TCNQ复合盐制备的片式铝固体电 45~60 S【l引。采用该复合盐制备的电容器,其耐温性能 好于正丁基异喹啉TCNQ复合盐型电容器。 解电容器的等效串联电阻达到1 236 mQ,而N,N,_ 戊烷基一---(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐制备的片 戊基异喹啉TCNQ复合盐的电阻率较低,如:异 戊基异喹啉和正戊基异喹啉TCNQ复合盐的电阻率分 别为3.6 Q・cm和2.8 Q・cm。 , 式铝固体电解电容器的等效串联电阻仅为462 mQ。 这说明在电容器的制造过程中N一正丙基异喹啉 TCNQ复合盐电解质已经发生了劣化。在焊接实验后, N,N’_戊烷基一---(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐制 戊基异喹啉TCNQ复合盐对多孔铝箔的浸润性好 于正丁基异喹啉TCNQ复合盐,如表2所示,在使用 同等级电容器芯子制备的铝固体电解电容器中,戊基 备的片式铝固体电解电容器的等效串联电阻几乎没有 变化,表明电解质的导电性能在实验前后没有发生变 化。采用N一正丙基异喹啉TCNQ复合盐制备的片式 铝固体电解电容器的等效串联电阻在焊接实验后增加 了约200 mQ,表明其电解质在焊接实验中发生了劣 一 . 异喹啉TCNQ复合盐型电容器的容量较高。另外,戊 基异喹啉TCNQ复合盐中加入少量的TCNQ可以进一 步提高电容器的容量,改善电容器的性能。 表2采用不同取代基异喹啉TCNQ复合盐的电容器性能比较‘删 Tab.2 Characteristics of the capacitors with TCNQ charge transfer complexes a c consisting of isoquinolinium donor with diferent substituents at N-position 化。总之,对于片式铝固体电解电容器来讲,N,N’一 戊烷基一---(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐是较好的 一温度 性能 C/I.tF 20℃ t /10 /mQ 85℃ C/laF tzS/10-2 正戊基 异戊基 正丙基 l5.05 l5.12 14.95 l』94 2.15 3.80 45.4 50.4 3l0 16.0 16.0 16.6 2.79 2.60 3.59 种电解质材料。 TCNQ复合盐型电解质的研究主要是围绕着铝吲 异丁基 正己基 3.29 l1.82 30.97 6.64 l 870 l22 4.82 l6.74 28.5 9.93 体电解电容器进行的。为了改善电解质的浸渍过程, 提高电解质的耐热性能除了改变复合盐的给电子体 2.3 N,N’_烷基一--(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐 尽管戊基异喹啉TCNQ复合盐的耐热性能好于正 外,还可采用不同种类的TCNQ复合盐,按不同比例 混合以改善电解电容器的性能;也可以加入一些内酯 化合物 来降低TCNQ复合盐的熔化温度,从而减少 电解质发生劣化的可能。TCNQ复合盐型铝固体电解 丁基异喹啉TCNQ复合盐,但仍不能满足片式铝固体 电解电容器对固体电解质耐热性的要求。1988年 Shuko Shindo等u 研制出用于片式铝固体电解电容器 电解质的N,N’_烷基一---(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复 电容器的耐压等级通常为25 v。有文献报道 】,采用 N,N’_辛基一---(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐电解 合盐。这种片式铝固体电解电容器已于1991年实现了 商业化 。 N,N’_烷基一-(3,5一二甲基吡啶)TCNQ复合盐 的分子式如图3所示。N,N一戊烷基一---(3,5一二甲 质制备的铝固体电解电容器的耐压等级可达3O v。 3 结束语 TCNQ复合盐型铝固体电解电容器的研究与生产 主要集中在日本。目前,TCNQ复合盐型铝固体电解 电容器的温度等级为一5O℃到+lO5℃,耐压等级为6-3 V到3OV,电容器的电容量可达2 200 F,分为引线 式和片式两种,已应用在多种类型的电子产品中。近 基吡啶)TCNQ复合盐的熔点是247 ̄C,分解温度是263 ℃,在上述诸TCNQ复合盐中熔点及分解温度是最高 的。用它或用N一正丙基异喹啉TCNQ复合盐作为电 解质的片式铝固体电解质电容器的性能如表3所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 电子元件与材料 2002生 期,在TCNQ复合盐型铝固体电解电容器方面的研究 工作主要集中在改进电容器的封装技术方面口 J。 我国在1983年对于此类电容器曾有过报道L2 , 随后便很少有关于此类电容器的报道。 TCNQ复合盐型铝固体电解电容器在制造过程 phenylenedimalnoonitrile and the analogues using palladium-catalyzed carbon-carbon bond formation[J】.Tetrahedron Lett,1985,26(12): l553-1556. usaT.Preparationof7,7,8,8一Tewacyamxtuinedimethane [6】 YamaguchiS,Hanafnd iats derivatives[J].Chem Lett,1985,689-690. Yamaguchi S,Miyamoto K,Hanafusa 3036-3037. New approaches to tetracyanoquinodimethane[J].Bull Chem Soc Jpn,1989,62(9): 中,对于TCNQ复合盐电解质加热熔融温度及熔化后 持续时间的要求极为严格,需要精确地控制。如果加 热温度、浸渍时间和冷却固化速度控制不好,就要引 起TCNQ复合盐的分解,导致TCNQ复合盐的电导率 [8】Seiji N,Yoshio K,Hirayama et a1.Preparation ofTCNQ complexes【P】 特开平一0170471.1989-03.15. [9】 Jonas Hocker J.Process for the preparation of TCNQ complexes[P】 US-4568494.1986-02 . [10】Makoto E,Shuko S,Kenichi H,et a1.Charge transfer complex[P】.EP一 0224207.1986一l1-18. MuFakami M,Yasu ̄M,Yoshimura S.Elcteroltiyc capacitor with 下降,从而致使电容器性能劣化。因此,如何避免 TCNQ复合盐在浸渍过程中的热分解,并将其更好地 浸渍到电容器芯子上,仍需予以关注。另外,TCNQ 复合盐电解质的浸渍效率低,致使电容器的电容量降 低。如何设法提高TCNQ复合盐在电介质上的浸渍效 率仍是一个有意义的课题。TCNQ型铝固体电解电容 器在市场上已经获得了广泛的应用,能够更好地解决 n n n n n n combined solid electrolte of TCNQ salyts and nitrogen-containing polymers ofmoderate molculer weiaght[P].US一3955l26,l976-05 . Yoshimura S.Ito Y Murakami M.Thin—film solid elctreolytic capacitor and a method of making the salTle【P].US-3898539,l975 8-o5. 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