Электролитические конденсаторы в усилителях мощности

Электролитические конденсаторы характеризуются большими потерями электролитического тока, невысокой граничной частотой, замедленными процессами поляризации в диэлектрике (диэлектрическая абсорбция), посредственными показателями эквивалентного сопротивления и плохими импульсными характеристиками. При обычной работе электролитических конденсаторов выявляется их недолговечность и низкая надёжность.

Через диэлектрик состоящий из окисла электролита (сепаратор) протекает ионный ток. Ионы движутся на много медленнее электронов, а длина их пробега, несмотря на небольшую толщину сепаратора, в десятки тысяч раз превышает толщину последнего. При протекании ионного тока выделяется тепловая энергия, что вызывает нагрев сепаратора и сокращает надежность и срок службы электролитического конденсатора.

Присутствие ионного тока и асимметричная конструкция электролитического конденсатора являются причиной высокого уровня внутренних шумов и нелинейных искажений. Всё эти недостатки вызывают инертность электролитического конденсатора и воздействует на звук в виде искусственной компрессии.

Фото современных — высококачественных электролитических конденсаторов которые мы применяем только во второстепенных цепях: EVOX RIFA (Sweden), PANASONIC FM (Japan/China), SANYO OSCON (Japan).

Тест электролитических конденсаторов

Конденсаторы построены в порядке убывания качества звука * * * * *.

Все протестированные электролитические конденсаторы здорово уступают среднему по стоимости и качеству звука плёночному конденсатору Solen.

* * * * * BLACK GATE N (Japan) — самый сбалансированный по звуку конденсатор среди всех тестируемых. Давно снят с производства — есть современные анти звуковые подделки.

* * * * * EVOX RIFA PEG 124 (Sweden) — звук напоминает бумажный конденсатор — глубокие низкие частоты и красивая середина, немного не хватает верхних частот — это легко выправляется шунтированием «быстрой плёночной» ёмкостью 0. 15- 0.01мкф. Выпускается в ограниченном количестве и применяется в военной — бортовой / силовой электронике, в авто / судо / космос / самолётостроении. Конденсатор низкоимпедансный, высокотемпературный — 150гр/ц и обладает повышенной надёжностью.

* * * * BLACK GATE FK (Japan) — правильно сбалансирован по всему частотному диапазону, но проиграл «EVOX RIFA PEG 124» по качеству воспроизведения низких и средних частот. Давно снят с производства — есть современные анти звуковые подделки.

* * * SANYO OSCON (Japan) — самый непонятный электролитический конденсатор, в разных схемах разный звуковой подчерк. По сравнению с другими звук трудно объяснимый — можно сказать «сладкий». В начале подкупает, а потом чувствуешь искусственность, ненатуральность. Лучшее применение — шунтирование катодного резистора. В полупроводниковой схеме хорошо показал себя в обратной связи.

* * ELNA CERAFINE (Japan / China) — провал на средних частотах, излишний акцент на высоких. Применяется в современных дорогостоящих High End Audio изделиях. Выдаёт звук на уровне «PANASONIC FM» и здорово уступает всем другим протестированным конденсаторам.

Надпись «Audio» на современных электролитических конденсаторах констатирует — это обыкновенный, серийный, низкоимпедансный, электролитический конденсатор повышенной стоимости (только за надпись «Audio»).

Всем пользователям хорошо знакомы с «глюки» мониторов, компьютеров, телеприёмников и.т.д. — это наглядная и негативная работа электролитических конденсаторов (любых производителей). Самые нелепые неполадки радиоаппаратуры происходящие в электронной природе провоцируют исключительно электролиты. Если схема тупо «глючит» — меняйте «кондёры» и проблема будет решена на 100%.

Малейшее вздутие верхней части корпуса говорит — конденсатор пробит и никаким заряд/разрядом его не восстановить.

Качество звучания современных электролитов оставляет желать лучшего, но выпускать серийный High End Audio аппарат без электролитических конденсаторов не имеет коммерческого смысла — сложно, дорого, габаритно.

Тайваньские бренды —  производители высококачественных компьютерных материнских плат и видео карт полностью отказались от применения своих собственных электролитических конденсаторов — «глючат» и взрываются.

Современное японо-американо-европейское производство электролитических конденсаторов стремительно стремится к развивающемуся социализму — China, в итоге имеем: «мя-у» звук.

Гасящий конденсатор вместо гасящего резистора

Электролитические конденсаторы HITACHI для силовой электроники

Основные особенности и параметры ЭК

1. Особенности конструкции

В обычном алюминиевом ЭК диэлектриком является окись алюминия, подобно p-n-переходу она имеет одностороннюю проводимость и способна выдерживать напряжение только одной полярности. Соответственно, при подаче обратного напряжения в ЭК возникают токи утечки.

Оксидный слой не может иметь равномерной толщины по всей поверхности, в зонах с наименьшей толщиной токи утечки I_l максимальны. Причиной их увеличения также является наличие примесей воды в электролите, что снижает и максимально допустимое напряжение ЭК.

Временная зависимость I_l после включения описывается выражением:

где I_l5 — ток утечки через 5 минут после подачи постоянного напряжения на ЭК, а показатель степени р имеет значение в диапазоне 0,5…1.

Общая формула для I_L в установившемся состоянии имеет следующий вид:

Практически все параметры ЭК являются термозависимыми. С ростом температуры увеличиваются емкость, проводимость электролита, ток утечки, снижается надежность за счет ускорения коррозионных процессов.

Важное значение имеет временная стабильность характеристик, непосредственно влияющих на срок службы ЭК. Как и для многих других компонентов, выработка ресурса конденсатора происходит при достижении его основными параметрами своих предельно допустимых значений. Одним из них является R_s или ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) ЭК, которое состоит из сопротивления выводов и алюминиевой фольги (R_Al), сопротивления электролита (R_E) и сопротивления диэлектрика (R_ox).

2. Потери

Суммарные потери ЭК можно оценить, зная ток утечки I_l, среднеквадратичное значение переменного тока I_RMS, текущего через конденсатор, и значения эквивалентных сопротивлений.

Общее омическое сопротивление R состоит из сопротивления металла и электролита.

Диэлектрические потери пропорциональны энергии, запасенной в конденсаторе: W_C = C × U²/2. Мощность P_l, рассеиваемая в ЭК, может быть определена следующим образом:

где ƒ — частота перезарядки конденсатора.

Если ток ЭК имеет синусоидальную форму, формула приобретет следующий вид:

Поскольку I = ω × C × U, а ω = 2π × ƒ, то

Сомножитель (A + B × ƒ) представляет собой известный всем cos φ. Однако пользоваться этим параметром неудобно, так как обычно φ близок к 90°, поэтому при расчетах режимов ЭК обычно используется угол δ = 90 – φ, называемый углом потерь: tangδ = sin (90 – φ)/cos (90 – φ)

sin (90 – φ), так как cos (90 – φ)

1. В результате мы получаем выражение для расчета мощности рассеяния в простейшей форме:

Ошибка, возникающая из-за принятой аппроксимации, несущественна для вычислений потерь ЭК, а измерение tangδ намного проще, чем cos φ. Этот параметр называется тангенсом угла потерь и приводится в справочных данных конденсаторов.

Подставляя в (2.2) U = I/ωC, получаем:

Таким образом можно определить R_S или ESR – эквивалентное последовательное сопротивление, значение которого должно указываться в технических характеристиках.

Как видно из (2.6), параметр R_S является частотно зависимым, типовой график R_S в функции от частоты для ЭК 68 мкФ 450 В приведен на рис. 1. Наличие нелинейной зависимости параметров конденсаторов несколько затрудняет расчеты потерь. Кроме того, если ток имеет сложный спектральный состав, необходимо знать величину каждой гармоники. Однако если низшие гармоники достаточно велики и частотно-зависимый компонент мал по сравнению с омическим сопротивлением, расчет становится достаточно простым. Обычно на частотах свыше 500 Гц ESR становится практически неизменным и формула для мощности потерь приобретает следующий вид.

3. Тепловой расчет

Температура перегрева ЭК зависит от R_S и среднеквадратичного значения переменного тока I_RMS. Обозначим температуру в наиболее нагретой точке конденсатора (в англоязычной литературе «hot spot») T_hs, а температуру окружающей среды — T_a. В рабочем диапазоне перегрев является линейной функцией мощности потерь Р, при этом справедливы следующие соотношения:

где R_th — тепловое сопротивление «точка перегрева — окружающая среда».

4. Срок службы и надежность

Как правило, производители ЭК в технической документации приводят минимальный набор параметров: предельное напряжение, допустимый ток пульсаций при заданной частоте, тангенс угла потерь, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В спецификациях более «продвинутых» изготовителей ЭК можно найти таблицу поправочных коэффициентов для тока пульсаций и показатели надежности. Например, конденсаторы HU3/HU4 фирмы HITACHI имеют ресурс свыше 600 тыс. часов при номинальном токе пульсаций и температуре 50 °С. Этот же параметр не превышает 4 тыс. часов при предельной температуре. Однако при расчете схемы разработчику хотелось бы знать, сколько конкретно прослужат емкости при заданных рабочих режимах. Это необходимо и для определения минимального номинала ЭК, поскольку современные высоковольтные конденсаторы вносят значительный вклад в габариты и стоимость изделия.

На ресурс и надежность ЭК основное влияние оказывают рабочее напряжение и температура. Для оценки влияния первого параметра на срок службы L_op используется следующее соотношение:

где U_op — рабочее напряжение, U_R – предельно допустимое напряжение, L_opR — срок службы ЭК при U = U_R.

Показатель степени n = 5 при 0,8U_R < U < U_R; n = 3 при 0,5U_R < U < 0,8U_R. Это означает, что снижение рабочего напряжения на 21% увеличивает ресурс ЭК вдвое, а при U < 0,5U_R, его влиянием можно пренебречь.

Срок службы имеет экспоненциальную температурную зависимость, график которой может быть описан выражением:

Надежность ЭК увеличивается с увеличением его линейных размеров, например, формула, учитывающая диаметр конденсатора, имеет следующий вид:

(Для конденсаторов, рассчитанных на 105° вместо 85°, в показателе степени должно быть 105).

Значение ƒ (D) для различных значений диаметра приведено в таблице 1.

Таблица 1

Параметр L_op определяется как время, в течение которого параметры ЭК находятся в пределах определенных допусков. У каждого производителя значения допусков свои. Например, HITACHI и RIFA так определяют предельное состояние ЭК:

• Изменение емкости более чем на 10…15%.
• Увеличение tangδ более чем в 1,3 раза.
• Увеличение ESR более чем в 2 раза.

Когда большое количество конденсаторов (назовем его N₀) испытывается при заданных условиях, то через определенное время некоторые параметры ЭК подойдут к своему предельному значению. Количество ЭК, сохраняющих свои параметры в пределах допусков — R (t), будет со временем становиться меньше в соответствии с выражением:

где λ — частота отказов.

Вероятность отказа F (t) можно определить как:

где S (t) — вероятность, что 1 конденсатор прослужит время t.

Зависимость срока службы L_op от вероятности отказа можно определить следующим образом:

где m — среднее время между отказами (в технической литературе этот параметр также называется MTBF — Mean Time Between Failure).

L_op и λ экспоненциально зависят от температуры: λ возрастает, а L_op снижается.

Упрощенное выражение для λ выглядит следующим образом:

Для конденсаторов 105° в показателе степени надо заменить 85 на 105.

Для примера рассчитаем температуру нагрева ЭК диаметром 50 мм при условии, что он работает при предельном напряжении (U = U_R) и срок службы должен быть не менее 5 лет.

Решая формулу 4.3 для T_hs, получим:

5. Электрическая и тепловая модель электролитического конденсатора

Упрощенная эквивалентная электрическая схема ЭК приведена на рис. 2а.

L — суммарная индуктивность выводов;

R — суммарное омическое сопротивление выводов, фольги и электролита;

R_L — сопротивление утечки;

R_th — тепловое сопротивление;

C_th — теплоемкость.

Параметр I_L определяется как омический ток при рабочем напряжении, не превышающем предельного значения. Данная модель с достаточной степенью точности может быть использована при расчетах с помощью программ схемотехнического моделирования (например, PSPICE).

Токи перезаряда конденсатора приводят к потерям мощности на омическом сопротивлении, кроме того, потери создаются токами утечки. Они проявляются в повышении температуры ΔT, пропорциональном мощности рассеяния Р.

где R_th — тепловое сопротивление конденсатора.

Наиболее нагретая точка, имеющая температуру T_hs, обычно расположена в геометрическом центре ЭК. Тепло распространяется во все стороны через электролит, фольгу, выводы, корпус и т. д. Основными параметрами, характеризующими тепловое поведение конденсатора, являются R_thhc — тепловое сопротивление «точка перегрева — корпус» и R_thca — тепловое сопротивление «корпус — окружающая среда». Если ЭК установлен на теплосток, добавляется тепловое сопротивление «корпус — теплоотвод» R_thcс, зависящее от размера, формы радиатора и способа конвекции воздуха.

На тепловые режимы при импульсном характере работы влияние оказывает также тепловая емкость конденсатора C_th, которая зависит от массы и материала конденсатора. В модели ЭК такую емкость можно было бы установить параллельно каждому сопротивлению кроме R_thca — ей можно пренебречь благодаря низкой теплоемкости воздуха.

На рис. 2b и 2c приведены эквивалентные тепловые схемы для случая естественного охлаждения и установки ЭК на радиатор. Температура выводов конденсатора обозначена T_t, температура корпуса T_c измеряется в точке, противоположной выводам.

Приведенные выше выражения и цифры являются основными данными для расчета нагрева ЭК, в какой бы схеме он ни работал. К сожалению, в каталогах большинства фирм-производителей (как и в отечественных ТУ) тепловые характеристики конденсаторов, как правило, отсутствуют.

6. Параллельное и последовательное соединение ЭК

Соединение ЭК используется для повышения емкости, увеличения допустимого напряжения или тока пульсаций и не вызывает, на первый взгляд, никаких проблем. Однако проблемы существуют, и связаны они в первую очередь с возникновением переходных помех при включении из-за паразитной индуктивности соединительных проводов.

На рис. 3 показана схема параллельного соединения 4 конденсаторов C1 — C4 емкостью по 3300 мкФ. В схеме также присутствуют паразитные индуктивности проводов L1 — L4 (200 нГн между элементами и 600 нГн — подводящая цепь). Если бы в реальной схеме не было шунтирующего влияния распределенных сопротивлений проводов R1 — R4 и ESR-конденсаторов (R_s), то из-за наличия колебательных контуров могли бы наблюдаться очень высокие перенапряжения.

На рис. 4 приведены эпюры напряжения на емкости С4 для двух значений температуры — 20 и 85 °С. Разница в характере переходного напряжения объясняется тем, что при нагреве от 20 до 85 °С эквивалентное сопротивление ЭК (R_s) изменяет свое значение от 22 до 7 мОм. Величина перенапряжения зависит и от номинала конденсатора, оба указанных фактора необходимо учитывать при расчетах.

Последовательное соединение ЭК используется для высоковольтных схем. При этом, как правило, приходится включать конденсаторы последовательно-параллельно для получения необходимой величины емкости.

Анализ переходных искажений в комбинированной схеме производится аналогично, при этом следует учесть паразитные параметры проводов между последовательно соединенными конденсаторами. Не забудьте про разброс номиналов конденсаторов, который может привести к опасному разбалансу напряжений.

При последовательном соединении параллельно каждому ЭК необходимо установить резистор для устранения перекоса напряжения из-за разности токов утечки конденсаторов. Номиналы уравнивающих резисторов можно рассчитать по формуле:

где С — емкость вмкФ, R — сопротивление вкОм.

Формула 6.1 выведена на основании известного соотношения для тока утечки I_L = k × C × U_R, где константа k = 3 × 10^–3. Ток резистора I_R должен быть больше тока утечки, который имеет большой разброс и сильно зависит от условий эксплуатации. Часто оказывается, что правильно рассчитанный уравнивающий резистор рассеивает довольно большую мощность, и с этим приходится мириться.

Резисторы обеспечивают уравнивание напряжения только для постоянного тока и низких частот, распределение пульсаций с частотами порядка сотен герц и выше определяется только соотношением емкостей.

7. Причины отказов ЭК

Основным фактором, приводящим к деградации и выходу из строя ЭК, является диффузия электролита через изолятор. Этот процесс ускоряется с ростом температуры и в наибольшей степени определяет срок службы конденсатора.

Ниже приведены некоторые причины, способные привести к преждевременному отказу ЭК:

• переохлаждение (обычно ниже –40 °С) ? резкий рост ESR и падение емкости;
• перегрев (повышенная температура окружающей среды или превышение допустимого тока пульсаций) ? рост ESR и тока утечки, падение емкости;
• превышение рабочего напряжения ? рост ESR и падение емкости;
• переходные перенапряжения ? повышение тока утечки и внутреннее короткое замыкание;
• воздействие высоких частот ? изменение емкости и ESR;
• воздействие обратного напряжения ? повышение тока утечки, потеря емкости, увеличение ESR, сокращение срока службы;
• механические вибрации ? внутреннее короткое замыкание, увеличение тока утечки, потеря емкости.

8. Выбор и расчет ЭК

В самом общем случае расчет номинала ЭК включает следующие действия:

• Выбирается номинал конденсатора, обеспечивающий необходимую мощность нагрузки или заданное минимальное выпрямленное напряжение.
• Найденное значение корректируется с учетом разброса номинала, временного и температурного изменения номинала.
• Из каталога выбирается ближайшее минимальное значение номинала конденсатора.
• Рассчитывается среднеквадратичное значение тока пульсаций для нового конденсатора, определяется температура нагрева ЭК и срок его службы.

Электролитические конденсаторы для мощных применений

Специфика конденсаторов, предназначенных для использования в изделиях силовой электроники, в первую очередь определяется требованиями, предъявляемыми к звену постоянного тока преобразовательного устройства. При выборе ЭК для данного применения необходимо определить суммарное значение емкости и рабочего напряжения, обеспечивающих безопасное функционирование конвертора с учетом нагрузочных и тепловых режимов, а также колебаний напряжения питания.

На работу конденсаторов, применяемых в силовых DC-шинах, большое влияние оказывают их распределенные параметры: ESL (Equivalent Series inductance) — эквивалентная последовательная индуктивность и ESR (Equivalent Series Resistance) — эквивалентное последовательное сопротивление. Индуктивность ESL во многом определяет частотные свойства конденсатора и участвует в образовании паразитного контура шины. Распределенное сопротивление ESR в данном случае играет положительную роль, так как является демпфирующим для этого контура. Именно поэтому при использовании очень популярных в настоящее время пленочных конденсаторов, имеющих пониженное значение ESR, проблема ограничения коммутационных перенапряжений стоит более остро, чем для звена постоянного тока с электролитическими конденсаторами.

Важнейшим требованием, предъявляемым к DC-шине, является согласование ее рабочего напряжения с предельными характеристиками силовых ключей и напряжением питания преобразовательного устройства. При проектировании шины питания инвертора, работающего от промышленных сетей 400/690 В, приходится использовать параллельно-последовательное соединение достаточно большого количества ЭК. Это создает ряд проблем, как конструкторских, так и схемных: необходимо обеспечить надежное крепление банка конденсаторов, при работе в импульсных режимах схема соединений должна осуществлять выравнивание динамических токов и исключать перегрев и перегрузку по напряжению каждого конденсатора звена. В результате звено постоянного тока является узлом, во многом определяющим габариты, надежность и стоимость всего преобразователя.

На рис. 5 приведены варианты размещения двух параллельных пар последовательно соединенных конденсаторов. Обратите внимание на то, что даже положение их выводов существенно влияет на площадь токовой петли, непосредственно определяющей величину паразитной индуктивности DC-шины (1 см² × 10 нГн).

На рис. 6 показана конструкция DC-шины универсального модуля привода SEMIKUBE [5], разработанного дизайнерским центром компании SEMIKRON. На проектирование этого узла инвертора ушло достаточно много времени, большую часть которого занял поиск топологии, обеспечивающей минимальное значение распределенной индуктивности, отсутствие зон локального перегрева и абсолютную симметричность токов и напряжений ЭК. В окончательном виде получилась компактная конструкция, содержащая 12 (3 × 4) конденсаторов емкостью 4700 мкФ. Общая емкость звена постоянного тока составляет 14 мФ при напряжении 800 В, суммарная распределенная индуктивность копланарной шины SEMIKUBE имеет рекордно низкое значение — менее 12 нГн, небаланс токов не превышает 5%. Одна такая конструкция работает совместно с инвертором номинальной мощностью 220 кВт, удельная емкость при этом составляет около 60 мкФ/кВт.

Большинство из описанных выше проблем, связанных с необходимостью параллельно-последовательного соединения, обусловлены тем, что максимальное рабочее напряжение подавляющего большинства выпускаемых до настоящего времени ЭК не превышало 400–450 В. Этот факт стал причиной растущей популярности пленочных конденсаторов MKP/MPP, производимых ELECTRONICON, EPCOS. Эти компоненты способны работать при напряжении DC-шины до 1300 В и выше [6]. Однако широкое распространение компонентов данного типа пока ограничивается высокой стоимостью и большим весом, поэтому производители ЭК продолжают искать технологические способы повышения их блокирующей способности.

На российском и мировом рынке хорошо известна продукция компании HITACHI AIC, выпускающей широкую номенклатуру конденсаторов для различных применений, в том числе и мощных. Основные серии высоковольтных ЭК HITACHI и их краткие характеристики приведены на рис. 7. Существенным достижением фирмы на пути проектирования ЭК для силовой электроники можно считать разработку серии PH с рабочим/предельным напряжением 600/650/700 В (выделено красным цветом на рис. 7). Необходимо отметить, что значение 550–600 В (DC) является минимально допустимым, позволяющим конденсаторам работать без последовательного соединения в звене постоянного тока преобразователей, питающихся от промышленной сети 380 В (АС).

Характеристики ЭК серии РН приведены ниже и в таблице 2:

• рабочее напряжение: 600/650/700 В;
• tangδ = 0,2 при ƒ = 120 Гц;
• рабочая температура: –25… 85 °С;
• ток утечки: 0,01С·V (мкА) и не более 2 мА;
• срок службы: 6000 часов при 85 °С и номинальном токе пульсаций I_r;
• интенсивность отказов: 0,5 FIT (Failure In Time = 10^–9 отказов в час) в течение срока службы (это означает, что из 20 тыс. конденсаторов, находящихся в эксплуатации, за 10 лет откажет только 1).

Таблица 2. Основные характеристики ЭК серии РН

На рис. 8 показан внешний вид конденсатора серии РН и график зависимости среднего срока службы от нормированного значения тока пульсаций (I/I_r) при различной температуре.

В случае, если последовательное соединение емкостей необходимо (например, при питании от сетей 690 В), параллельно каждому конденсатору должен быть установлен балластный резистор R_s, выбранный в соответствии с рекомендациями, данными в табл. 3.

Таблица 3. Рекомендации по выбору балластных резисторов

Заключение

Разработка конструкции преобразователей средней и большой мощности является сложнейшей задачей, требующей тщательного подхода к анализу распределенных параметров конструкции. Одним из наиболее сложных в проектировании узлов силовых конверторов является звено постоянного тока, содержащее силовые шины и банк конденсаторов. Этот узел до сих пор во многом определяет надежность, габариты и стоимость всего изделия. Несмотря на разработку новых технологий конденсаторов (например, пленочных MKP/MPP) и многочисленные попытки проектирования так называемых «матричных» конверторов, осуществляющих прямое двунаправленное преобразование энергии от сети к потребителю, электролитические конденсаторы еще достаточно долго будут востребованы рынком.

Много лет компания HITACHI AIC является одним из мировых лидеров рынка ЭК, в производственной программе фирмы есть несколько серий высоконадежных конденсаторов, ориентированных на силовые применения, такие как инверторы для общепромышленных приводов и электротранспорта. Одной из наиболее интересных разработок последних лет явился выпуск компонентов серии РН, отличающихся повышенным рабочим напряжением. Это позволяет решить одну из наиболее сложных проблем, связанных с работой конденсаторов в промышленных преобразователях, избавиться в ряде случаев от необходимости последовательного соединения и повысить надежность звена постоянного тока.

Литература

1. HITACHI AIC Compact Aluminium-Electrolytic Capacitors 1998/1999.
2. RIFA Electrolytic Capacitors. Theory and Application.
3. Звонарев Е. Электролитические и танталовые конденсаторы HITACHI AIC // Силовая Электроника. 2007. № 2.
4. Колпаков А. Расчет конденсаторов шины питания мощных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 2.
5. Колпаков А. Инверторная платформа SEMIKUBE — quadratisch, praktisch, gut! // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
6. Колпаков А. Конденсаторы ELECTRONICON для высоковольтных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 6.

Миниатюрные алюминиевые конденсаторы — Nichicon

Миниатюрные алюминиевые конденсаторы

Благодаря накопленному опыту в области технологии, дизайна и контроля качества, компания nichicon предлагает различные серии электролитических конденсаторов, включая миниатюрные конденсаторы (диаметром от 3мм) для различных применений:

— ультра-миниатюрные;

— стандартные;

— высоконадежные;

— для специальных применений;

— для аудио оборудования.

Ультра-миниатюрные:

Серия	Температурный диапазон (°C)	Рабочее напряжение (В)	Номинальная емкость (мкФ)	Примечание
UMA	-40 до +85	4 — 50	1 — 470	Стандартные, высота — 5мм
UMP	-40 до +85	6.3 — 50	0.1 — 47	Неполярные, высота — 5мм
UMT	-55 до +105	4 — 50	1 — 100	Широкий температурный диапазон, высота — 5мм
UMF	-55 до +105	6.3 — 35	1 — 100	Низкий импеданс, высота — 7мм
UMV	-40 до +105	4 — 50	1 — 100	Увеличенный срок службы, высота — 5мм
USA	-40 до +85	6.3 — 50	1 — 220	Стандартные, высота — 7мм
USR	-40 до +85	4 — 50	1 — 470	Высокоэффективные, высота — 7мм
USP	-40 до +85	6. 3 — 50	0.1 — 220	Неполярные, увеличенная емкость, высота — 7мм
UST	-55 до +105	6.3 — 50	1 — 220	Широкий температурный диапазон, высота — 7мм
USV	-40 до +105	6.3 — 50	1 — 220	Увеличенный срок службы, высота — 7мм
USF	-55 до +105	6.3 — 35	6.8 — 220	Низкий импеданс, высота — 7мм

Cтандартные:

Серия	Температурный диапазон (°C)	Рабочее напряжение (В)	Номинальная емкость (мкФ)	Примечание
UVK	-40 до +85	6.3 — 450	0.47 — 68000	Миниатюрные
UVR	-40 до +85	6.3 — 450	0.47 — 33000	Стандартные
UVC	-40 до +105	400	4.7 — 18	Высоковольтные, для блоков питания
UVY	-55 до +105	6. 3 — 450	0.47 — 33000	Миниатюрные, широкий температурный диапазон
UVZ	-55 до +105	6.3 — 450	0.47 — 33000	Широкий температурный диапазон
URS	-40 до +85	6.3 — 400	1 — 10000	Компактные
URZ	-55 до +105	6.3 — 400	1 — 10000	Низкопрофильные, широкий температурный диапазон
URY	-55 до +105	6.3 — 450	6.8 — 4700	Широкий температурный диапазон, Высота — 12,5мм
UVP	-40 до +85	6.3 — 100	1 — 6800	Неполярные
UEP	-55 до +105	6.3 — 100	1 — 6800	Неполярные, широкий температурный диапазон

Высоконадежные:

Серия	Температурный диапазон (°C)	Рабочее напряжение (В)	Номинальная емкость (мкФ)	Примечание
UPM	-55 до +105	6. 3 — 450	1 — 15000	Низкий импеданс
UPW	-55 до +105	6.3 — 450	0.47 — 15000	Миниатюрные, низкий импеданс
UTT	-40 до +105	6.3 — 50	1 — 470	Миниатюрные, низкий импеданс
UPA	-55 до +105	6.3 — 35	180 — 10000	Миниатюрные, низкий импеданс
UHV	-40 до +105	6.3 — 35	47 — 8200	Сверхнизкий импеданс
UHD	-40 до +105	6.3 — 50	22 — 6800	Сверхнизкий импеданс
UHE	-40 до +105	6.3 — 100	2.2 — 18000	Сверхнизкий импеданс
UHW	-40 до +105	6.3 — 100	8.2 — 15000	Сверхнизкий импеданс
UPJ	-55 до +105	6.3 — 450	1 — 15000	Для импульсных источников питания
UPS	-55 до +105	6. 3 — 450	0.47 — 15000	Миниатюрные, для импульсных источников питания
UPV	-55 до +105	6.3 — 50	1.5 — 390	Миниатюрные, низкий импеданс
UPT	-25 до +105	200 — 450	15 — 820	Миниатюрные, большой ток пульсации
UPZ	-25 до +105	200 — 450	18 — 470	Высоковольтные, миниатюрные
UPH	-25 до +105	400 — 450	27 — 220	Высоковольтные, миниатюрные
UCP	-25 до +105	400 — 450	27 — 220	Высоковольтные, миниатюрные, увеличенный срок службы
ULD	-40 до +105	10 — 450	1 — 330	Миниатюрные, увеличенный срок службы
UCA	-25 до +105	160 — 450	6.8 — 220	Миниатюрные, большой ток пульсации
UCS	-40 до +105	160 — 450	6. 8 — 330	Миниатюрные, большой ток пульсации, высоконадежные
UCY	-40 до +105	160 — 500	6.8 — 680	Миниатюрные, большой ток пульсации, высоконадежные
UBT	-40 до +125	10 — 450	4.7 — 4700	Расширенный температурный диапазон
UBW	-55 до +135	10 — 100	4.7 — 4700	Расширенный температурный диапазон
UBY	-40 до +135	25 — 100	160 — 12000	Расширенный температурный диапазон, для автоэлектроники
UXY	-40 до +125	25 — 35	5000 — 11000	Сопротивление вибрации
UBX	-55 до +150	10 — 400	2.2 — 4700	Расширенный температурный диапазон, для автоэлектроники

Для специальных применений:

Серия	Температурный диапазон (°C)	Рабочее напряжение (В)	Номинальная емкость (мкФ)	Примечание
UKL	-40 до +85	6. 3 — 100	1.5 — 10000	Малый ток утечки
UAQ	-40 до +105	200, 400	10 — 220	Для специального напряжения
UAS	-40 до +105	200, 400	4.7 — 330	Миниатюрные, для специального напряжения

Для аудио оборудования:

Серия	Температурный диапазон (°C)	Рабочее напряжение (В)	Номинальная емкость (мкФ)	Примечание
UKA	-55 до +105	6.3 — 50	22 — 22000	Для оборудования высокого класса
UKZ	-40 до +85	25 — 100	10 — 1000	Для высококачественного оборудования
UFG	-40 до +85	6.3 — 100	1 — 10000	Для оборудования высокого класса
UKT	-55 до +105	6.3 — 50	2. 2 — 33000	Стандартные
UKW	-40 до +85	6.3 — 100	2.2 — 33000	Стандартные
UFW	-40 до +85	6.3 — 100	2.2 — 33000	Стандартные
USW	-40 до +85	6.3 — 50	1 — 220	Высота — 7мм
UMW	-40 до +85	4 — 50	1 — 470	Высота — 5мм
UUQ	-40 до +105	6.3 — 50	1 — 1000	Для поверхностного монтажа
UCQ	-55 до +105	10 — 35	4.7 — 680	Для поверхностного монтажа
UES	-40 до +85	6.3 — 50	1 — 1000	Неполярные
UDB	-40 до +85	50	1 — 47	Неполярные, сетевых динамиков

Анодирование. Электролитические конденсаторы | Всё о красках

Анодным материалом в электролитических конденсаторах является фольга из чистого 99,99 % алюминия толщиной 85-100 микрон. Раньше (а иногда и сейчас) использовался алюминий с чистотой 99,8 %. Электролитом является раствор борной кислоты, с буферированным декагидратом тетрабората натрия или боратом аммония с почти нейтральным уровнем рН. Состав его зависит от электрического напряжения в процессе или от функции анодируемого изделия.

Во процессе анодирования с целью создания покрытия барьерного типа, после того, как было достигнуто необходимое электрическое напряжение, которое может варьироваться от 3 до 650 вольт, воздействие тока резко снижается, так как образуется изоляционный слой, и экспоненциально падает на протяжении  всего периода, который необходим для образования окончательного устойчивого тока утечки, не более нескольких микроампер на см,² который является электронным и  не оказывает влияние на образующееся покрытие.

Конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделенных диэлектрическим или изоляционным слоем. Электрическая емкость системы в абсолютных единицах выражается по формуле C = KA/4EπD, где А – площадь, K – диэлектрическая проницаемость, D – расстояние между пластинами. В случае с электролитическим конденсатором D обозначает толщину анодного слоя, одна пластина представляет собой алюминиевый анод, другая – электролит, хотя, конечно же, должна присутствовать и катодная пластинка для того, чтобы замкнуть цепь. Существует несколько причин очень большой емкости, получаемой при использовании электролитических веществ. Во-первых, всего лишь при 14 А/В (1,4 н/м), когда образуется 500-вольтовое покрытие толщиной 0,7 микрон, толщина становится на два порядка ниже, чем у любого другого альтернативного бумажного или пластмассового изолятора, что не позволяет ему оказывать сопротивление тому же электрическому напряжению. При работе с низком напряжении величины D настолько малы, что они не могли бы быть образованными каким-то другим способом. Так как D находится в знаменателе, то емкость действительно может оказаться очень большой. Во-вторых, покрытие оксида алюминия обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью в районе 8-10, что является его немалым преимуществом. В-третьих, путем травления анода можно 10 кратно увеличить емкость. В результате электролитический конденсатор может быть микроскопических размеров в сравнении с размером и весом бумажного или пластмассового эквивалентов.

Впервые электролитические конденсаторы были применены в начале 1930-х гг. Изначально жидкостный электролитический конденсатор представлял собой свинцовую или алюминиевую емкость с водным электролитом и свободно скрученной в спираль анодной фольгой, а также изоляционным материалом, чтобы предотвратить утечку раствора. Естественная способность этой миниатюрной ванны для анодирования к самовосстановлению обеспечила высокую надежность этих компонентов. Так называемые сухие оксидные конденсаторы были введены в эксплуатацию несколько лет спустя. В этих конденсаторах электролит представлял собой вязкий раствор борной кислоты в глицерине или этиленгликоле. Конструкция представляла собой трехслойный композитный материал, где полоска пористой бумаги находилась в жидком электролите между анодной пластиной и вспомогательной плоской катодной фольгой. Этот набор скручивался и помещался в металлическую или картонную тару с внешним соединением. Получение таких конденсаторов было описано Джексоном, Морлейем и Бернаром.

Использование протравленных анодов впервые было начато в 1945. Процедура травления в хлориде натрия описана на странице 194. Для конденсаторов высокого напряжения первоначальное увеличение площади поверхности было 4-5 кратным, сейчас достигает до 10-кратного, а для конденсаторов низкого напряжения, широко используемых в транзисторных схемах, увеличение площади поверхности может быть еще интенсивнее. Так, стоило лишь убрать 30 % веса фольги, и новые технологии позволили человеку высадиться на Луне. В единицах системы МКСА площадь (А) измеряется в см², D = 14 A/V, K = 8, емкость (С) измеряется в микрофарадах = 505 А/В. Во время процесса образования анодной пленки соблюдается пропорция С = 1/В. Это означает, что для образования покрытия при 10В емкость будет в 50 раз больше, чем для 500В. Очевидно, что выгоднее применять более низкое напряжение, в соответствии с назначением изделия. В наше время схемы низкого напряжения, конденсаторы, имеющие огромное значение, могут достигать миниатюрных размеров. В 1969 году японский разработчик Нитсуко создал конденсатор емкостью 1 F (1000000 микрофарад).

Недостатки электролитических веществ и требования к их использованию:

(a)  Следует строго соблюдать полярность и поддерживать на изделии электрическое напряжение;

(b)  Имеется небольшой, но продолжительный остаточный ток утечки;

(c)  Не следует превышать установленное рабочее напряжение;

(d)  Перед включением изделие подлежит проверке, так как после периода простоя диэлектрический слой подлежит повторному формированию;

(e)  Когда изделие не используется, происходит медленное разрушение, что обеспечивает бóльшую нагрузку на приборы электропитания в течение периода восстановления после включения;

(f)   Срок годности при хранении ограничен до двух лет, после чего использование изделия не безопасно;

(g)  Производить вещества необходимо из материалов высокого качества и в лабораторных условиях.

Однако ни один из этих факторов не помешал использовать электролитические конденсаторы миллионам людей. Изначально использовалась, в основном, 99,8 % фольга, но в 1950 году начали применять 99,9 % фольгу, которая практически заменила материал более низкого качества, за исключением стран, где существуют ограничения на импорт. Ток утечки был сокращен до 1/3 от показателей 99,8 % анодов, увеличилось время восстановления, срок годности при хранении увеличился в 2-3 раза. Позже, с добавлением в состав фольги высокого качества особых элементов, были улучшены свойства конденсаторов. На настоящий момент существуют описания применения добавок In или Cd, Pb или Bi, Ga, Ti, Ti и B, V, Cu, Cu и Sn, Mn, Cr и Ca.

Обычной практикой, используемой в настоящее время, является предварительное образование фольги в длительном процессе с использованием горячего электролита, содержащего примерно 10 % борной кислоты, при температуре 95-100°С и высокой плотности тока. Фольга вводится в раствор с учетом электрического напряжения и с определенной скоростью, в зависимости от технических требований прибора. Окончательное образование и выдержка компонента может занять до трех недель при рабочем электрическом напряжении на 10 % больше зарегистрированного. Использование нежидкостного электролита, применяемого в конденсаторе, требует тщательного приготовления, так как гликоль и борная кислота образуют сложный эфир в реакции с водой как с одним из компонентов. Поэтому необходимо сократить содержание воды путем длительного кипячения, до тех пор, пока точка кипения не достигнет установленного уровня. Трещины на тонкой пленке, образовавшиеся во время сборки конденсатора, нейтрализуются оксидом во время использования благодаря присутствующему в конденсаторе электролиту. Для жидкостных конденсаторов необходимо использовать борную кислоту особого качества (SO), приготовленную путем тройной рекристаллизации, и очищенную воду. Черч доказал, что влияние хлорида можно проследить в 1/100000000 части. Его метод заключался в исследовании сухой кромки при напылении тонкого алюминиевого слоя на оксид, а затем в подсчете числа разрушений на слабых участках при увеличении электрического напряжения. Каждый такой участок изолируется в результате образования электрической дуги.. Влияние хлоридов на образование электролита было также изучено Шарпом и Панитцем, а также Надкарни с сотрудниками.

Увеличившиеся запросы производителей электронных деталей привели к изменениям в производстве электролитов, и сейчас вместо борно-гликольной смеси используется электролит, в основе которого лежит диметилформамидный раствор (ДМФ). Использование этого материала расширяет температурный диапазон конденсаторов от -55°С до +125°С, что позволяет применять их в тех случаях, в которых его нельзя было использовать при использовании борно-гликольных электролитов.

Было выдано множество патентов, обусловленных выбором подходящих видов электролита, и были предложены смеси ДМФ, содержащие такие компоненты, как адипиновая кислота, трифторуксусная кислота, малеиновая кислота, салициловая кислота, лимонная кислота, винная кислота и муравьиная кислота. В любом случае они должны раствориться, чтобы получились токопроводящие растворы, и обладать по крайней мере ограниченной способностью образовывать барьерные оксиды в тех случаях, когда необходимо восстановление диэлектрического вещества, а также сопротивляемостью сильным полям, как и положено электролитам.

Чтобы преодолеть эти ограничения были разработаны более сложные методы образования барьерного покрытия. Они включают предварительное образование водного оксида, зачастую путем помещения фольги в кипящую воду, а затем стандартное анодирование в борной кислоте. Образовавшееся сложное покрытие состоит из слоя псевдобемита на внешней поверхности, который обезвоживается во время анодирования и включается в состав стандартного покрытия внизу. Природу такого сложного покрытия, которое, как считается, увеличивает емкость фольги, исследовали Альвитт и Бернар и Кудо и Альвитт. Они также подтверждают, что псевдобемит обладает способностью к обезвоживанию, превращаясь в оксид алюминия. Однако в то же время, они обнаружили, что такие сложные оксиды имеют пустоты, которые могут занимать 5 % объема барьерного покрытия. Эти пустоты приводят к электрической нестабильности, что может вызвать снижение способности диэлектрического покрытия противостоять сильному электрическому полю. Однако это можно исправить путем обработки анодированной фольги в горячей дистиллированной воде, а затем повторного анодирования при изначальном электрическом напряжении. Реакция воды и оксида значительно увеличивает полную релаксацию диэлектрика, что приводит к  повторному анодированию с образованием стабильного оксида. Этот процесс был описан Бернаром и Расселлом

Алюминий покрывается жидким оксидным слоем путем погружения на непродолжительное время (обычно 5-10 минут) в кипящую воду, а затем анодируется при электрическом напряжении в несколько сот вольт в жидкостном борном электролите. Если анодная фольга находится несколько минут при постоянном электрическом потенциале (V_A),  электрический ток (I_D) уменьшается до небольшой доли тока анодирования (I_A), демонстрируя нормальный режим работы стабильного анодного оксида.

Однако, если фольгу убрать из электролита, обработать в кипящей воде в течение, скажем, 2 минут и вернуть в ванну для анодирования с применением того же электрического тока (I_D), зарегистрированного на конечном этапе образования оксида, первоначальное барьерное напряжение будет близко к нулю. В этом случае понадобится значительный электрический заряд, порядка нескольких процентов заряда при анодировании, чтобы анодный элемент мог сопротивляться изначальному электрическому напряжению анодирования. Дайер и Альвитт, изучая схожие воздействия, пришли к выводу, что электрическая нестабильность сложного оксидного покрытия является его внутренним свойством, обусловленным присутствием внутренних полостей, в которые может попадать вода, когда исчезает формационное поле. При повторном анодировании полости заполняются барьерным оксидом, и покрытие стабилизируется.

Pages: 1 2

Типы конденсаторов. Алюминиевые электролитические конденсаторы

Что такое твердотельный конденсатор — Ответы на вопросы

Твердотельный конденсатор — электролитический конденсатор, в котором вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер (PEDT) или полимеризованный органический полупроводник (TCNQ).

Также используются названия OS-CON, AO-CAPS, OC-CON, FPCAP.

Отличия от конденсаторов с жидким электролитом:

• Значительно больший срок службы
• Время наработки на отказ составляет порядка 50000 часов при температуре 85 °С
• Тем не менее, при максимально допустимой температуре (105 °С) заявленный срок службы полимерных конденсаторов такой же, как у традиционных электролитических конденсаторов и составляет 2000—5000 часов
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) меньше по величине по сравнению с сопротивлением жидко-электролитического конденсатора и слабо зависит от температуры
• Поэтому необходима меньшая ёмкость для использования твердотельного конденсатора в качестве шунтирующего (по переменной составляющей)
• Тем не менее не все модели имеют ЭПС меньшее, чем у аналогичных жидко-электролитических
• Рабочие напряжения до 35 Вольт
• Более высокая цена.

Конструкция:

• Катод — алюминиевая или танталовая фольга
• Прокладка пропитанная электролитом
• Анод — алюминиевая или танталовая фольга с оксидным слоем
• Лента свёртывается в рулон и упаковывается в корпус (с выводами или для поверхностного монтажа)
• Твердотельные конденсаторы (за редким исключением) не имеют клапана или насечки на корпусе, так как твёрдый электролит не способен вскипеть и вызвать взрыв корпуса.

Чем эти конденсаторы лучше обычных.

Во-первых, в них вместо жидкого электролита, использован твёрдый полимерный электролит, что исключает его испарение и протекание в наружу.

Во-вторых, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже, что позволяет использовать в тех же условиях, конденсаторы меньшей емкости и меньшего размера.

И в третьих они мало чувствительны к перепаду температур.

Всё это позволяет твердотельным конденсаторам, безотказно работать в шесть раз дольше обычных!
А значит и аппаратура служит дольше и работает стабильней.
Ведь зависания и артефакты на экране могут быть не только следствием неправильной работы программного обеспечения, но и неисправности самого оборудования.

Итак, может ли это стать основным критерием при выборе аппаратуры для долговечных и надежных систем?
Однозначно да.

Цветовая раскраска никаких технологических характеристик не обозначает, просто разные производители используют разные цвета, например:

Зеленовато-голубой — Chemicon
Сиреневый — Sanyo
Красный — Fujitsu
Синий — Nichicon

В то же время компания MSI считает, что твердотельным конденсатором осталось не так уж много времени, и в скором будущем их заменят на что-то более современное.
Это мнение подтверждает тот факт, что MSI уже начала использовать новые конденсаторы под названием Hi-c CAP.

Этот набор букв расшифровывается как Highly-Conductive Polymerized Capacitor (полимерный конденсатор с высокой проводимостью).

Такие конденсаторы наделены сердцевиной из тантала, считающегося довольно редким металлом.

Они служат намного дольше обычных твердотельных конденсаторов и обладают очень высокой проводимости из-за низкого ESR.
На работоспособность конденсаторов Hi-c CAP никак не влияют изменения температуры, что на руку настоящим оверклокерам, любящим разгонять железо.

Если обратиться к сравнительному анализу, то конденсаторы типа Hi-c CAP имеют в 8 раз более длительный срок службы в сравнении с обычными твердотельными конденсаторами, обладают в 15 раз меньшими токами утечки и способны работать в течение 16 лет подряд даже при температуре 85 градусов Цельсия.

И еще одно преимущество конденсаторов Hi-c CAP — это их плоская форма.
Благодаря этому, они никоим образом не препятствуют потокам воздуха внутри системного блока и, соответственно, не являются косвенной причиной перегрева, скажем, видеокарты или процессора.

Электролитический конденсатор

| Типы | Конденсаторная направляющая

Что такое электролитические конденсаторы?

Электролитический конденсатор — это тип конденсатора, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у конденсаторов других типов. Электролит — это жидкость или гель, содержащий высокую концентрацию ионов. Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, а это означает, что напряжение на положительной клемме всегда должно быть больше, чем напряжение на отрицательной клемме.Преимущество большой емкости электролитических конденсаторов имеет также несколько недостатков. Среди этих недостатков — большие токи утечки, допуски по величине, эквивалентное последовательное сопротивление и ограниченный срок службы. Электролитические конденсаторы могут быть либо с жидким электролитом, либо с твердым полимером. Обычно они изготавливаются из тантала или алюминия, хотя могут использоваться и другие материалы. Суперконденсаторы — это особый подтип электролитических конденсаторов, также называемых двухслойными электролитическими конденсаторами, с емкостью в сотни и тысячи фарад.Эта статья будет основана на алюминиевых электролитических конденсаторах. Они имеют типичную емкость от 1 мкФ до 47 мФ и рабочее напряжение до нескольких сотен вольт постоянного тока. Алюминиевые электролитические конденсаторы используются во многих областях, таких как источники питания, материнские платы компьютеров и многие бытовые приборы. Поскольку они поляризованы, их можно использовать только в цепях постоянного тока.

Определение электролитического конденсатора

Электролитический конденсатор — это поляризованный конденсатор, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у конденсаторов других типов.

Считывание значения емкости

В случае сквозных конденсаторов значение емкости, а также максимальное номинальное напряжение указаны на корпусе. Конденсатор, на котором напечатано «4,7 мкФ 25 В», имеет номинальное значение емкости 4,7 мкФ и максимальное номинальное напряжение 25 В, которое никогда не должно превышаться.

В случае электролитических конденсаторов SMD (поверхностного монтажа) существует два основных типа маркировки. В первой четко указано значение в микрофарадах и рабочее напряжение.Например, при таком подходе конденсатор 4,7 мкФ с рабочим напряжением 25 В будет иметь маркировку «4,7 25V. В другой системе маркировки за буквой следуют три цифры. Буква представляет номинальное напряжение в соответствии с таблицей ниже. Первые два числа представляют собой значение в пикофарадах, а третье число — это количество нулей, добавляемых к первым двум. Например, конденсатор 4,7 мкФ с номинальным напряжением 25 В будет иметь маркировку E476. Это соответствует 47000000 пФ = 47000 нФ = 47 мкФ.

Письмо	Напряжение
e	2,5
г	4
Дж	6,3
А	10
К	16
Д	20
E	25
В	35
H	50

Характеристики

Дрейф емкости

Емкость электролитических конденсаторов с течением времени отклоняется от номинального значения, и они имеют большие допуски, обычно 20%. Это означает, что алюминиевый электролитический конденсатор с номинальной емкостью 47 мкФ, как ожидается, будет иметь измеренное значение в диапазоне от 37,6 мкФ до 56,4 мкФ. Танталовые электролитические конденсаторы могут изготавливаться с более жесткими допусками, но их максимальное рабочее напряжение ниже, поэтому они не всегда могут использоваться в качестве прямой замены.

Полярность и безопасность

Из-за конструкции электролитических конденсаторов и характеристик используемого электролита электролитические конденсаторы должны иметь прямое смещение.Это означает, что положительный вывод всегда должен иметь более высокое напряжение, чем отрицательный вывод. Если конденсатор становится смещенным в обратном направлении (если полярность напряжения на выводах меняется на обратную), изолирующий оксид алюминия, который действует как диэлектрик, может быть поврежден и начать действовать как короткое замыкание между двумя выводами конденсатора. Это может вызвать перегрев конденсатора из-за протекающего через него большого тока. Когда конденсатор перегревается, электролит нагревается и протекает или даже испаряется, что приводит к взрыву корпуса.Этот процесс происходит при обратном напряжении около 1 В и выше. Для обеспечения безопасности и предотвращения взрыва корпуса из-за высокого давления, возникающего в условиях перегрева, в корпусе установлен предохранительный клапан. Обычно это делается путем нанесения царапины на верхней поверхности конденсатора, которая контролируемым образом открывается при перегреве конденсатора. Поскольку электролиты могут быть токсичными или едкими, могут потребоваться дополнительные меры безопасности при очистке после и замене перегретого электролитического конденсатора.

Существует специальный тип электролитических конденсаторов для переменного тока, который выдерживает обратную поляризацию. Этот тип называется неполяризованным или NP-типом.

Устройство и свойства электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух алюминиевых фольг и бумажной прокладки, пропитанной электролитом. Одна из двух алюминиевых фольг покрыта оксидным слоем, и эта фольга действует как анод, а непокрытая фольга действует как катод.Во время нормальной работы анод должен находиться под положительным напряжением по отношению к катоду, поэтому катод обычно маркируется знаком минус вдоль корпуса конденсатора. Анод, пропитанная электролитом бумага и катод уложены стопкой. Пакет сворачивается, помещается в цилиндрический корпус и подключается к цепи с помощью штифтов. Есть две общие геометрии: осевая и радиальная. Осевые конденсаторы имеют по одному штырьку на каждом конце цилиндра, тогда как в радиальной геометрии оба штифта расположены на одном конце цилиндра.

Электролитические конденсаторы имеют большую емкость, чем конденсаторы большинства других типов, обычно от 1 мкФ до 47 мФ. Существует особый тип электролитического конденсатора, называемый двухслойным конденсатором или суперконденсатором, емкость которого может достигать тысяч фарад. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора определяется несколькими факторами, такими как площадь пластины и толщина электролита. Это означает, что конденсатор большой емкости является громоздким и большим по размеру.

Стоит отметить, что электролитические конденсаторы, изготовленные по старой технологии, не имели очень длительного срока хранения, обычно всего несколько месяцев. Если его не использовать, оксидный слой разрушается, и его необходимо восстанавливать в процессе, называемом риформингом конденсатора. Это можно сделать, подключив конденсатор к источнику напряжения через резистор и медленно увеличивая напряжение, пока оксидный слой не будет полностью восстановлен. Современные электролитические конденсаторы имеют срок годности 2 года и более.Если конденсатор остается неполяризованным в течение длительного времени, его необходимо преобразовать перед использованием.

Применения для электролитических конденсаторов

Есть много приложений, в которых не требуются жесткие допуски и поляризация переменного тока, но требуются большие значения емкости. Они обычно используются в качестве фильтрующих устройств в различных источниках питания для уменьшения пульсаций напряжения. При использовании в импульсных источниках питания они часто являются критическим компонентом, ограничивающим срок службы источника питания, поэтому в этом приложении используются высококачественные конденсаторы.

Их также можно использовать при сглаживании входа и выхода в качестве фильтра нижних частот, если сигнал является сигналом постоянного тока со слабой составляющей переменного тока. Однако электролитические конденсаторы плохо работают с сигналами большой амплитуды и высокой частоты из-за мощности, рассеиваемой на паразитном внутреннем сопротивлении, называемом эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). В таких приложениях необходимо использовать конденсаторы с низким ESR, чтобы уменьшить потери и избежать перегрева.

Практическим примером является использование электролитических конденсаторов в качестве фильтров в аудиоусилителях, основная цель которых — уменьшить гудение в сети.Сетевой гул — это электрический шум 50 или 60 Гц, вызванный сетью, который будет слышен при усилении.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г. ,
  браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Frontiers | Электролитные технологии для высокоэффективных натрий-ионных конденсаторов

Введение

В связи с глубоким развитием и широким применением стационарных и переносных систем электроснабжения люди предъявляют все более высокие требования к оборудованию для хранения энергии. В настоящее время наиболее часто используемые вторичные источники питания — это батареи и конденсаторы. Среди них литий-ионные батареи (LIB) имеют высокую плотность энергии (150–200 Вт · ч · кг ⁻¹ ) и низкую удельную мощность (<350 Вт · кг ⁻¹ ) (Han et al., 2018), в то время как электрохимические конденсаторы (ЕС), особенно суперконденсатор, обычно имеют высокую плотность мощности (> 10 кВт · кг ⁻¹ ) и низкую плотность энергии (<10 Вт · ч · кг ⁻¹ ) (Gao et al. др., 2018; Zhang et al., 2020). Их соответствующая дефектность ограничивает применение в определенных областях. Для преодоления разрыва широко используются литий-ионные конденсаторы (LIC) и натрий-ионные конденсаторы (SIC), которые имеют как высокую плотность энергии, так и высокую плотность мощности. Однако, поскольку огромные исследования ресурсов Li в портативной электронике, электромобилях, больших сетях и ограниченные запасы ресурсов Li на Земле (Wang et al., 2015), разработка аналогичного SIC становится общепризнанным решением из-за обильных запасов натрия и разумного окислительно-восстановительного потенциала (Na / Na ⁺ = −2,7 В) (Zhang et al., 2020). Кроме того, натрий не вступает в реакцию с алюминием, что позволяет заменить дорогой токосъемник медью. Также хорошо известно, что ионы Na ⁺ и Li ⁺ обладают схожими физико-химическими свойствами (Mendes et al., 2018; Jia et al., 2020), и некоторые выводы, касающиеся LIC, также применимы к SIC. (Динг и др., 2018). Однако радиус Na ⁺ (1,02 Å) больше, чем у Li ⁺ (0,76 Å). Электрохимическое поведение Na ⁺ в электролите отличается от поведения Li ⁺ в тех же условиях (Qu et al., 2008; Gao et al., 2018). В результате нетрудно понять, что разведка высокопроизводительных SIC требует новых усилий и инвестиций.

SIC имеет ту же структуру, что и LIC, которая состоит в основном из анода, катода, электролита, сепаратора и коллектора (Jia et al., 2020; Рисунок 1А). Поскольку большая часть исследовательской работы была сосредоточена на материале и структуре электродов, изучение электролита SIC относительно ограничено. Однако электролит является носителем и каналом переноса зарядов, и влияние электролита на конечные характеристики устройства никогда нельзя игнорировать. Обычно электролит, применяемый в SIC, состоит из натриевой соли и растворителя, а иногда и некоторых добавок. Оптимизация электролита для достижения желаемых электрохимических свойств может быть реализована путем тщательного выбора и рационального подбора этих компонентов.

Рис. 1. (A) Схематическое изображение, показывающее структуру SIC. (B) кривые CV и стабильность цикла (C) SIC с органическим электролитом. На вставке показаны 10 красных светодиодов с питанием от заряженного SIC (воспроизведено с разрешения Li et al., 2020, Copyright 2020 Springer).

В этом мини-обзоре представлены свойства различных электролитов, включая состав и концентрацию, стоимость и вопросы безопасности, а также их влияние на характеристики SIC.Также рассматриваются перспективы и проблемы будущего развития электролитов SIC.

Натриевые соли

Натриевая соль — один из наиболее важных компонентов электролита SIC, который изначально был выбран на основе литиевой соли путем замены катионов. Однако их химическая стабильность, электрохимическая активность и ионная проводимость (IC) различны. Общие принципы выбора подходящей соли электролита SIC включают: (i) она должна иметь высокую растворимость в соответствующем растворителе для получения достаточных зарядов; (ii) Стабилен в определенном диапазоне напряжений, не вызывает разложения и окислительно-восстановительных реакций; (iii) Хорошая химическая стабильность и не вступает в реакцию с растворителем, электродом и коллектором; (iv) Экологичность, безопасность, нетоксичность и т. д.

Поскольку катион закреплен на Na ⁺ , выбор анионов становится очень важным. Как видно из таблицы 1, анионы во многом определяют свойства солей. Во время процесса заряда / разряда анион чаще всего является той частью электролита, которая окисляется первой. Таким образом, он определяет верхний предел окна электрохимической стабильности (ESW) (Jónsson, Johansson, 2015; Ponrouch et al., 2015). Чем выше рабочее напряжение, тем выше плотность потока энергии. Среди приведенных в качестве примеров анионов ClO4- сильно окислен.Таким образом, он с большей вероятностью вступит в реакцию с другими материалами, что ограничивает его применение в SIC (Vidal-Abarca et al., 2012). Взаимодействие между BF4- и катионами, как правило, сильное, что приводит к относительно небольшому количеству свободных ионов и плохому IC (Ponrouch et al., 2015). Хотя PF6- представляет серьезную проблему безопасности, потому что он легко гидролизуется на PF ₅ , POF ₃ и HF при повышенных температурах или в условиях, содержащих воду, в результате чего возникает сильная коррозионная среда (Lee et al. , 2005). Ионная проводимость Tf ^— в растворителе EC / DMC обычно слишком низкая для использования в электролитах SIC. Однако, когда растворитель заменен на тетра (этиленгликоль) диметиловый эфир (TEGDME), полученный SIC с использованием электролита на основе NaTf ^— показывает наивысшую разрядную емкость, самое низкое сопротивление интерфейса и хорошие циклические характеристики (250 мА ч г ⁻¹ после 40 циклов) по сравнению с использованием солей NaPF ₆ и NaClO ₄ (Kim et al., 2011). Поскольку радиус FSI ^— меньше, чем радиус TFSI ^— , он лучше растворяется в растворителях и приводит к электролиту с более высоким IC (Kühnel et al., 2017). Однако следует отметить, что NaFSI и NaTFSI имеют проблему коррозии алюминия (Otaegui et al., 2015), которую следует учитывать при разработке конкретного SIC. Согласно отчету (Senthilkumar et al., 2014), ионный радиус сольватации OH ^— , NO3-, Cl ^— и SO42- в воде составляет 3. 00, 3,35, 3,32 и 3,79 Å соответственно. Таким образом, водный электролит на основе NaOH демонстрирует очевидные преимущества в отношении IC и скорости ионной диффузии. В результате была достигнута максимальная емкость 390 F g ^-1 . Подводя итог, можно сказать, что выбор натриевой соли имеет решающее влияние на свойства электролитов для высокопроизводительных SIC.

Таблица 1 . Основные свойства некоторых широко используемых солей натрия и органических растворителей.

Растворители

В качестве носителя натриевой соли растворитель является еще одним основным компонентом электролита SIC.Растворитель не только влияет на скорость диффузии ионов, но также часто определяет нижний предел ESW SIC (Ponrouch et al., 2015). В зависимости от гидрофильности и различий в составе растворитель, используемый в электролите SIC, можно в основном разделить на водную, органическую и ионную жидкость (IL), как и образующийся электролит.

Водный электролит

Водный электролит обычно имеет преимущества высокой ионной проводимости, низкой стоимости и высокой безопасности. Среди кислотных, основных и нейтральных электролитов нейтральные более привлекательны с точки зрения безопасности (Whitacre et al., 2012). Одна из важных проблем водного электролита заключается в том, что его ESW является узким из-за низкого напряжения разложения 1,23 В для воды-растворителя (Kühnel et al., 2017). К счастью, асимметричная конструкция сборки может в определенной степени компенсировать эту проблему. Например, асимметричные конденсаторы на основе активированного угля // NaMnO ₂ и Fe ₃ O ₄ // пары электродов rGO с 0,5 М водным электролитом NaSO ₄ расширили диапазон рабочего напряжения до 1.9 и 1,80 В соответственно (Qu et al., 2009; Lu et al., 2015), что намного превышает напряжение разложения воды.

Другой широко применяемой технологией увеличения ESW водного электролита является увеличение концентрации натриевой соли. Высокая концентрация соли с большей вероятностью приведет к образованию пассивирующего слоя на поверхности электрода, который может предотвратить окислительно-восстановительный процесс при низких напряжениях. Например, когда используется 17 моль кг ^-1 NaClO ₄ водный электролит, ESW полученного SIC может быть увеличен до 2.75 В (Zhang Y. et al., 2018). Высокий ESW указывает на то, что в определенном SIC может быть зарезервировано больше электрохимической энергии. Также сообщается об ЭСВ 2,6 В в ионно-натриевой батарее с 35 моль кг ^-1 NaFSI водным электролитом (Kühnel et al., 2017). Широкий диапазон рабочего напряжения также был связан с высокой концентрацией натриевой соли. Тем не менее, чем выше концентрация соли, тем выше вязкость электролита и, следовательно, сопротивление ионной диффузии. Таким образом, концентрация соли также влияет на удельную энергию SIC и общую стоимость устройства (Zhang P.и др., 2018). Следовательно, необходимо найти баланс между концентрацией электролита и конечными электрохимическими характеристиками.

Органический электролит

Органический электролит — это наиболее часто используемый электролит, который имеет широкий диапазон напряжений до 4 В. Недостатки этого типа электролита заключаются в плохой проводимости и рисках безопасности, таких как летучая ядовитость и низкая температура вспышки (Beguin et al., 2014).

Органические растворители, такие как EC, PC, DMC, DEC, DME, DEGDME, TEGDME и т. Д., были исследованы в электролитах SIC, и их основные свойства показаны в таблице 1. Поскольку соли натрия обычно являются сильными электролитами, большая часть Na ⁺ может быть диссоциирована до достижения насыщения, чтобы участвовать в процессе накопления заряда. Таким образом, чем выше растворимость соли в определенном растворителе, тем больше свободного Na ⁺ может быть получено в электролите. Однако обнаружено, что в органическом растворителе с низкой диэлектрической проницаемостью относительное соотношение свободных ионов уменьшается с увеличением концентрации (Okoshi et al., 2013; Park et al., 2018). Следовательно, ионная проводимость и скоростные характеристики результирующего устройства будут разными. Например, при температуре 25 ° C электролиты с 1 М NaClO ₄ в растворителях EC / DEC (1: 1), EC / PC (1: 1), PC, DME, DEGME и TEGDME показали соответствующие ионные проводимости 6,8, 7,8, 6, 6,5, 5,7 и 1,8 мСм см ^-1 соответственно (Park et al., 2018). Полученный SIC с электролитом NaClO ₄ -EC / PC достиг максимальной разрядной емкости 63.1 мА ч г ⁻¹ из расчета 1 A g ⁻¹ из-за самого высокого IC в композитных растворителях EC / PC. Гибридные электролиты также могут адаптироваться к широкому диапазону температур благодаря разнице температур плавления различных органических растворителей (Ding et al., 2015). Помимо ионной проводимости, важно также учитывать электрохимическую стабильность электролита при экранировании потенциальных растворителей. Хорошая электрохимическая стабильность и высокий IC, несомненно, улучшат емкостные характеристики и расширят область применения устройства.Например, сообщается, что с электролитом 1 M NaClO ₄ , растворенным в EC / DMC (1: 1), окно рабочего напряжения результирующего SIC находится в диапазоне 0,5–4 В (рис. 1B). Кроме того, была достигнута стабильная циклическая производительность с сохранением емкости 84,5% в течение 3000 циклов при 3 A g ⁻¹ , а кулоновская эффективность составляет почти 100%, как показано на Рисунке 1C (Li et al., 2020). .

Следует отметить, что добавки обычно вводятся в органический электролит в небольших количествах, чтобы компенсировать дефекты существующего электролита (Chen et al., 2018). Основные функции добавок в электрохимическом процессе хранения Na ⁺ (в том числе в натрий-ионных аккумуляторах) заключаются в следующем: модифицировать пленку SEI, защищать от перезарядки, изменять ионную проводимость, влажные границы раздела и т. Д. (Ponrouch et al., 2015 ; Soto et al., 2017; Sun et al., 2019). Некоторые электролитические добавки, такие как фторэтиленкарбонат (FEC), виниленкарбонат и бифенил, использовались в предыдущих исследованиях натрий-ионных аккумуляторов (Sun et al., 2019). Однако в случае системы SIC редко сообщается об исследованиях электролитических добавок, за исключением FEC, и основной вклад FEC связан с образованием пленки SEI (Jia et al. , 2020). Например, добавка FEC (обычно 2–5 мас.%) Была добавлена ​​в электролит SIC, что доказало быстрое восстановление поврежденной пленки SEI для восстановления рабочих характеристик устройства (Soto et al., 2017). Однако слишком много добавления FEC может привести к появлению пассивирующего слоя или слишком толстой пленки SEI, которая увеличит внутреннее сопротивление устройства (Komaba et al., 2011).

Ионный жидкий электролит

Невоспламеняющиеся электролиты IL обычно обладают высокой вязкостью и низким IC.Кроме того, из-за относительной редкости и сложности синтеза материалов стоимость электролита на основе ионной жидкости выше, чем у других электролитов (Ponrouch et al., 2015). Однако IL-электролит может обеспечить большое потенциальное окно и стабильную межфазную пленку твердого электролита (SEI) в системах электрохимического накопления (Hasa et al., 2016), что будет привлекательным преимуществом для устройств SIC с высокой плотностью энергии. В области хранения Na ⁺ анион ИЖ обычно такой же, как натриевая соль, в то время как катионы обычно представляют собой большие органические катионы. Таким образом, в настоящее время сообщенных электролитов IL для SIC относительно мало.

Один впечатляющий электролит на основе ИЖ — это 0,8 моль л ^-1 бис (фторсульфонил) имида натрия (Na-TFSI), растворенного в ИЖ 1-метил-1-пропилпирролидиния бис (трифторметилсульфонил) имида (PMPyrr-TFSI). ) (Fleischmann et al., 2019). Получающийся в результате Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ // SIC на основе переменного тока (Na-AHSC) может заряжаться / разряжаться при напряжении 1,0–4,0 В. В результате высокая плотность энергии 90 Вт · ч. кг ^-1 было получено с энергетической эффективностью 78% и кулоновской эффективностью 100%.Кроме того, электролит продемонстрировал свойство стойкости к высоким температурам, которое может стабильно работать в системе SIC при 80 ° C в течение 3000 циклов. Электролит с натриевой солью, растворенной в ИЖ, также использовался в системе SIC на основе Na // Углерод (Mendes et al., 2018). При работе под потенциалом 3,8 В была получена плотность энергии 263 Вт · ч · кг ^-1 (исходя из массы электродов) при комнатной температуре, которая затем увеличилась до 270 Вт · ч · кг ^-1 при 50 °. С. Также предпринимаются некоторые попытки включить ИЖ в полимерные структуры для изготовления композитного гелевого электролита, и, таким образом, можно легко достичь гибкости SIC с преимуществом простоты использования, за исключением широкого ESW и хорошей термической стабильности (Wang et al., 2020). По сравнению с водными и органическими электролитами, ИЖ электролиты обычно обладают лучшими характеристиками безопасности при более высоких температурах, что указывает на широкие перспективы в определенных областях применения.

Гель-полимерный электролит (ГПЭ)

Из-за присущей вышеперечисленным электролитам в жидком состоянии нестабильности с точки зрения воспламеняемости, утечки и проблем внутреннего короткого замыкания, GPE в форме квазитвердого состояния с хорошей ионной проводимостью и высокой механической гибкостью привлекает широкий интерес в этих областях. электрохимического накопителя энергии (Yang et al., 2019).

Например, Wang et al. сообщили о первом квазитвердом состоянии SIC с Na ⁺ , проводящим GPE пол (винилидендифторид и гексафторпропилен). Результирующий SIC может работать при 4,2 В, обеспечивая плотность энергии 168 Вт · ч · кг ^-1 , что показало стабильную циклическую производительность с сохранением емкости 85% в течение 1200 циклов (Wang et al., 2015). Xu et al. сообщили о гидроксиэтилцеллюлозо-полиэтиленоксиде на основе Na ⁺ , проводящем ГПЭ, демонстрирующем свойство высокой аккумуляции энергии 181 Вт · ч · кг ^-1 при 150 Вт · кг ^-1 в устройстве SIC (Xu et al., 2019). Также недавно были продемонстрированы различные проводящие электролиты Na ⁺ в гелеобразном состоянии на полимерной основе даже с более высоким потенциальным окном 4,4 В, что значительно улучшило электрохимические свойства SIC, помимо вопросов безопасности при обращении (Zhang et al., 2020).

Несмотря на то, что для SIC применимы различные электролиты, выбор подходящего электролита во многом зависит от материалов электродов. Например, электролит не должен разъедать или вступать в реакцию с электродами. Чтобы облегчить свободный и быстрый перенос Na ⁺ , предполагается, что соответствующий электролит все время хорошо смачивает электродные материалы. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал различных материалов различается, электролит также должен иметь ЭСВ, который соответствует окислительно-восстановительному потенциалу электрода, чтобы обеспечить желаемое электрохимическое свойство (Tang et al., 2020). Следует отметить, что компьютерное моделирование можно использовать для согласования конкретных электродных материалов с подходящими электролитическими системами для высокопроизводительных SIC (Zhang P.и др., 2018).

Заключение и прогноз

В заключение следует отметить, что разработка конденсаторов на основе ионов металлов все еще находится в зачаточном состоянии, особенно SIC. Ввиду того, что большинство усилий было сосредоточено на электродах, изучение электролита сейчас является актуальным в связи с тем, что любой компонент в электролите играет важную роль для работы всего устройства. Можно видеть, что согласование конкретной натриевой соли, растворителя и добавки должно улучшить характеристики накопления энергии SIC, с одной стороны; с другой стороны, все компоненты электролитов должны быть безопасными, химически и термически стабильными.Это фокус, а также трудные моменты будущего направления электролитов SIC. В целом, SIC имеет привлекательные преимущества перед другими электрохимическими системами накопления энергии с точки зрения совместных свойств как высокой плотности энергии, так и высокой плотности мощности. Таким образом, передовая наука о электролитах и ​​технологии для высокопроизводительных SIC заслуживают глубокого изучения и дальнейшего развития.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Эта работа была поддержана Фондом естественных наук провинции Аньхой (JZ2018AKZR0058), Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов (PA2020GDGP0054), Национальным фондом естественных наук Китая (U1832136 и 21303038) и Программой сотни талантов провинции Аньхой.

Конфликт интересов

FM и LZ были наняты компанией Guangde Tianyun New Tech. Co. Ltd.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Бхайд А., Хофманн Дж., Дурр А. К., Янек Дж. И Адельхельм П. (2014). Электрохимическая стабильность неводных электролитов для натрий-ионных аккумуляторов и их совместимость с Na _0,7 CoO ₂ . Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 1987–1998. DOI: 10.1039 / C3CP53077A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, H., Dai, C., Li, Y., Zhan, R., Wang, M.-Q., Guo, B., et al. (2018). Превосходный полностью натриево-ионный конденсатор, созданный на основе единого металлоорганического каркаса на основе Ti. J. Mater. Chem. А 6, 24860–24868. DOI: 10.1039 / C8TA09072F

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дин, Дж. , Ван, Х., Ли, З., Цуй, К., Карпузов, Д., Тан, X., et al. (2015). Гибридный натриево-ионный конденсатор со скорлупой арахиса с экстремальной энергоэффективностью конкурирует с литиево-ионными конденсаторами. Energy Environ. Sci. 8, 941–955. DOI: 10.1039 / C4EE02986K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Флейшманн, С., Видмайер, М., Шрайбер, А., Шим, Х., Stiemke, F. M., Schubert, T. J. S., et al. (2019). Высоковольтные асимметричные гибридные суперконденсаторы на основе ионных жидкостей, содержащих литий и натрий. Energy Storage Mater. 16, 391–399. DOI: 10.1016 / j.ensm.2018.06.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Л., Чен, С., Чжан, Л., и Ян, X. (2018). Высокоэффективные гибридные суперконденсаторы с ионами натрия на основе Na ₂ Ti ₃ O ₇ массивов нанолистов. J. Alloys Compd. 766, 284–290. DOI: 10.1016 / j.jallcom.2018.06.288

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хань П. , Сюй Г., Хань Х., Чжао Дж., Чжоу Х. и Цуй Г. (2018). Литий-ионные конденсаторы в системе органического электролита: научные проблемы, разработка материалов и ключевые технологии. Adv. Energy Mater. 8, 1801243. doi: 10.1002 / aenm.201801243

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаса И., Пассерини С. и Хассун Дж. (2016). Характеристики ионно-жидкого электролита для натрий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 303, 203–207. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.10.100

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херлем Г., Тран-Ван П., Марк П., Фантини С., Пенно Ж.-Ф., Фахис Б. и др. (2002). Новое удобное соотношение между проводимостью концентрированных растворов неводных электролитов и диэлектрической проницаемостью и вязкостью растворителей. J. Источники энергии 107, 80–89. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (01) 00996-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзя, Р., Шен, Г., и Чен, Д. (2020). Последние достижения и перспективы развития натриево-ионных конденсаторов. Sci. China Mater. 63, 185–206. DOI: 10.1007 / s40843-019-1188-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йонссон, Э., и Йоханссон, П. (2015). Электрохимическая стойкость к окислению анионов для современных аккумуляторных электролитов: исследование CBS и DFT. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 3697–3703. DOI: 10.1039 / C4CP04592K

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж.-S., Lee, S.-W., Liu, X., Cho, G.-B., Kim, K.-W., Ahn, I.-S., et al. (2011). Электрохимические свойства Na / Ni ₃ S ₂ ячейки с жидкими электролитами с использованием различных солей натрия. Curr. Appl. Phys. 11, S11 – S14. DOI: 10.1016 / j.cap.2011.01.046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Комаба, С., Исикава, Т., Ябуучи, Н., Мурата, В., Ито, А., и Осава, Ю. (2011). Фторированный этиленкарбонат в качестве добавки к электролиту для натриевых аккумуляторных батарей. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 3, 4165–4168. DOI: 10.1021 / am200973k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кюнель, Р.-С., Ребер, Д., и Батталья, К. (2017). Высоковольтный водный электролит для натрий-ионных аккумуляторов. ACS Energy Lett. 2, 2005–2006. DOI: 10.1021 / acsenergylett.7b00623

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lee, H., Cho, J.-J., Kim, J., and Kim, H.-J. (2005). Сравнение вольтамперометрических характеристик в катодной области в LiPF ₆ и LiBETI с HF и без него. J. Electrochem. Soc. 152, A1193 – A1198. DOI: 10,1149 / 1,1914748

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж., Ли, Ю., Ли, Дж., Ли, С. М., Чой, Дж. Х., Ким, Х. и др. (2017). Ультраконцентрированные электролиты на основе бис (фторсульфонил) имида натрия для высокоэффективных натриево-металлических батарей. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 9, 3723–3732. DOI: 10.1021 / acsami.6b14878

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, С. , Чен, Дж., Сюн, Дж., Гонг, X., Цио, Дж., И Ли, П. С. (2020). Инкапсуляция нанокристаллов MnS в углерод, легированный N, S-Co, в качестве анодного материала для полноэлементных натрий-ионных конденсаторов. Nano-Micro Lett. 12, 34. DOI: 10.1007 / s40820-020-0367-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу К., Ли Д., Гао Х., Дай Х., Ван Н. и Ма Х. (2015). Усовершенствованный водный суперконденсатор с ионами натрия с катодом из марганцевого гексацианоферрата и анодом из Fe ₃ O ₄ / rGO. J. Mater. Chem. А 3, 16013–16019. DOI: 10.1039 / C5TA04244E

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мендес, Т. К., Чжоу, Ф., Барлоу, А. Дж., Форсайт, М., Хоулетт, П. К., и Макфарлейн, Д. Р. (2018). Металлический гибридный суперконденсатор-аккумулятор на основе ионной жидкости. Sustain. Энергетическое топливо 2, 763–771. DOI: 10.1039 / C7SE00547D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Окоши Ю., Ацуо Ю. и Накаи Х. (2013). Теоретический анализ десольватации катионов лития, натрия и магния в растворители органических электролитов. J. Electrochem. Soc. 160, A2160 – A2165. DOI: 10.1149 / 2.074311jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Отаеги, Л., Гойколеа, Э., Агуэсс, Ф., Арман, М., Рохо, Т., и Сингх, Г. (2015). Влияние электролитического растворителя и температуры на стабильность алюминиевого токосъемника: случай катода натрий-ионной батареи. J. Источники энергии 297, 168–173. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.07.084

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, м.С., Веерасубрамани, Г. К., Тангавел, Р., Ли, Ю. С., и Ким, Д. В. (2018). Влияние органических растворителей на электрохимические характеристики натриево-ионных гибридных конденсаторов. ChemElectroChem 6, 653–660. DOI: 10.1002 / celc.201801517

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Понруш А., Монти Д., Бошин А., Стин Б., Йоханссон П. и Паласин М. Р. (2015). Неводные электролиты для натрий-ионных аккумуляторов. J. Mater. Chem. А 3, 22–42. DOI: 10.1039 / C4TA04428B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цюй, К. Т., Ши, Ю., Тиан, С., Чен, Ю. Х., Ву, Ю. П., и Хольце, Р. (2009). Новый дешевый асимметричный водный суперконденсатор: Активированный уголь // NaMnO ₂ . J. Источники энергии 194, 1222–1225. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2009.06.068

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цюй, К. Т., Ван, Б., Ян, Л. К., Ши, Ю., Тиан, С., и Ву, Ю. П. (2008). Исследование электрохимических характеристик активированного угля в водных электролитах Li ₂ SO ₄ , Na ₂ SO ₄ и K ₂ SO ₄ . Electrochem. Commun. 10, 1652–1655. DOI: 10.1016 / j.elecom.2008.08.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сентилкумар, Б., Санкар, К. В., Василечко, Л., Ли, Ю.-С., и Селван, Р. К. (2014). Синтез и электрохимические характеристики электродов марицит-NaMPO ₄ (M = Ni, Co, Mn) для гибридных суперконденсаторов. RSC Adv. 4, 53192–53200. DOI: 10.1039 / C4RA06050D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сото, Ф.A., Yan, P., Engelhard, M.H., Marzouk, A., Wang, C., Xu, G., et al. (2017). Настройка межфазной границы твердого электролита для селективного хранения ионов Li и Na в твердом углероде. Adv. Mater. 29, 1606860. doi: 10.1002 / adma.201606860

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сунь, Ю., Ши, П., Сян, Х., Лян, X., и Ю, Ю. (2019). Высокобезопасные неводные электролиты и промежуточные фазы для натриево-ионных аккумуляторов. Малый 15, 1805479. DOI: 10.1002 / smll.201970072

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, Дж., Хуанг, X., Лин, Т., Цю, Т., Хуан, Х., Чжу, X., et al. (2020). Нанолисты TiS ₂ на основе MXene для высокоскоростных и долговечных натриево-ионных конденсаторов. Energy Storage Mater. 26, 550–559. DOI: 10.1016 / j.ensm.2019.11.028

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Видаль-Абарка, К. , Лавела, П., Тирадо, Дж. Л., Чедвик, А. В., Альфредссон, М., и Келдер, Э.(2012). Повышение циклируемости натрий-ионных катодов за счет выбора растворителя электролита. J. Источники энергии 197, 314–318. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2011.09.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vogl, T., Vaalma, C., Buchholz, D., Secchiaroli, M., Marassi, R., Passerini, S., et al. (2016). Использование протонных ионных жидкостей с катодами для натрий-ионных аккумуляторов. J. Mater. Chem. А 4, 10472–10478. DOI: 10.1039 / C6TA02277D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Ф., Ван, X., Чанг, Z., Wu, X., Liu, X., Fu, L., et al. (2015). Квазитвердотельный натрий-ионный конденсатор с высокой плотностью энергии. Adv. Mater. 27, 6962–6968. DOI: 10.1002 / adma.201503097

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Дж., Чен Г. и Сун С. (2020). Гелевая полимерная мембрана, проводящая ионы натрия, для применения в гибких суперконденсаторах. Электрохим. Acta 330, 135322. DOI: 10.1016 / j.electacta.2019.135322

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Whitacre, J.Ф., Вили, Т., Шанбхаг, С., Вэньчжу, Ю., Мохамед, А., Чун, С. Е. и др. (2012). Водный электролит, функциональное устройство с ионами натрия, накопитель энергии большого формата для стационарных применений. J. Источники энергии 213, 255–264. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2012.04.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ву В., Шабхаг С., Чанг Дж., Ратт А. и Уитакр Дж. Ф. (2015). Связь концентрации электролита с характеристиками и стабильностью для NaTi ₂ (PO ₄ ) ₃ / Na _0.44 MnO ₂ водные натрий-ионные батареи. J. Electrochem. Soc. 162, A803 – A808. DOI: 10.1149 / 2.0121506jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, Z., Xie, F., Wang, J., Au, H., Tebyetekerwa, M., Guo, Z., et al. (2019). Квазитвердотельные гибридные натрий-ионные конденсаторы на основе целлюлозы, основанные на структурной иерархии. Adv. Функц. Mater. 29: 15. DOI: 10.1002 / adfm.2015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, Дж., Zhang, H., Zhou, Q., Qu, H., Dong, T., Zhang, M., et al. (2019). Полимерные электролиты с повышенной безопасностью для натриевых батарей: последние достижения и перспективы. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 11, 17109–17127. DOI: 10.1021 / acsami.9b01239

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, P., Zhao, X., Liu, Z., Wang, F., Huang, Y., Li, H., et al. (2018). Открытые высокоэнергетические грани в ультрадисперсных нанокристаллах SnO ₂ размером менее 10 нм, закрепленных на графене для псевдоемкостного накопления натрия и высокоэффективных квазитвердотельных натрий-ионных конденсаторов. NPG Asia Mater. 10, 429–440. DOI: 10.1038 / s41427-018-0049-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, Y., Jiang, J., An, Y., Wu, L., Dou, H., Zhang, J., et al. (2020). Конденсаторы на основе ионов натрия: материалы, механизм и проблемы. ChemSusChem, в печати . DOI: 10.1002 / cssc.201

0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, Y., Nie, P., Xu, C., Xu, G., Ding, B., Dou, H., et al. (2018). Высокоэнергетический водный натрий-ионный конденсатор с полиимидным электродом и высококонцентрированным электролитом. Электрохим. Acta 268, 512–519. DOI: 10.1016 / j.electacta.2018.02.125

CrossRef Полный текст | Google Scholar

электролитов для суперконденсаторов | IoLiTec

Среди конденсаторов так называемые конденсаторы с двойным слоем (DLC) имеют самую высокую плотность энергии и наибольшую емкость на единицу объема. Конденсаторы с двойным слоем накапливают электрическую энергию в так называемых двойных слоях Гельмгольца на электродах. Расширением этой технологии являются супер- или ультраконденсаторы, которые накапливают электрическую энергию не только в электростатических процессах, но также электрохимически за счет окислительно-восстановительной реакции на электродах, что приводит к более высокой удельной емкости.

Рис. 1. Двухслойный конденсатор в разряженном состоянии (слева) и заряженном состоянии (справа)

Обычно соли тетраалкиламмония в ацетонитриле используются в качестве электролитов в электрохимических DLC, поскольку эти электролиты сочетают в себе низкую вязкость, хорошую проводимость и широкое электрохимическое окно. Недостатком этих электролитов является давление паров органического растворителя, поскольку перегрев может нести опасность воспламенения электролита.

Ионные жидкости как новые электролиты для двухслойных конденсаторов

Ионные жидкости

очень похожи на обычно используемые соли тетраалкиламмония с химической и структурной точки зрения, но имеют преимущество в гораздо более низкой температуре плавления.Следовательно, они не требуют добавления летучего растворителя, такого как ацетонитрил, этилен- или пропиленкарбонат, чтобы они были жидкими в широком диапазоне температур. Условия эксплуатации ионных жидкостей могут легко находиться в диапазоне от -35 ° C до 250 ° C. Кроме того, ионные жидкости обычно не имеют значительного давления пара в этом диапазоне температур и не горючие.

Другими важными аспектами применения в EDLC являются интересные электрохимические свойства ионных жидкостей:

• электропроводность
• электрохимическая стабильность

Чем выше электропроводность, тем быстрее можно заряжать и разряжать конденсатор.

Электрохимическая стабильность — это показатель устойчивости электролита к процессам окисления или восстановления. В принципе, более высокие емкости конденсаторов могут быть достигнуты с электролитами с широким электрохимическим окном.

В ряде публикаций описывается успешное использование ионных жидкостей в EDLC. [i] Электролиты на основе ионных жидкостей могут дать важные преимущества для будущих разработок, особенно в отношении плотности энергии и аспектов безопасности.

Углеродные нанотрубки как новые электродные материалы для двухслойных конденсаторов

Благодаря своим удивительным свойствам углеродных нанотрубок (УНТ) нашли свое применение во многих различных приложениях. с момента их открытия Iijimi et al. [ii] Цилиндрическая наноструктура двумерного графита обеспечивает большую поверхность p -электронов и в то же время однородные поры в нанометровом масштабе. Как следствие, УНТ представляют собой идеальные электронные проводники и пористые материалы, которые могут использоваться в различных системах хранения энергии, таких как литий-ионные батареи, конденсаторы или топливные элементы, в качестве электродных материалов.

Еще один интересный аспект — комбинация ионных жидкостей и УНТ, которые могут образовывать так называемые «бакки-гели». В этих гелях УНТ образуют пучки со сшитой структурой [iii].

Watanabe et al. показали, что эти гели могут успешно применяться в EDLC в качестве электродных материалов. Удельная поверхность гелевых электродов из УНТ 654 м ² × g ^-1 была значительно больше, чем у обычных углеродных электродов, что положительно сказалось на емкости и привело к снижению сопротивления электрода. [iv]

Текст: Д-р Томас Дж. С. Шуберт, IOLITEC GmbH, 2011.

[IV D]

[i] A. Lewandowski, M. Galinski, J. Phys. Chem. Твердые тела 2004 , 65 , 281; A. Lewandowski, A. Swiderska, Appl. Phys. 2006 , А 82 , 579-584;

[ii] S. IIjima, T. Ichihashi, Nature 1993 , 363 , 603.

[iii] Т. Фукусима, А. Косака, Ю. Ишимура, Т. Ямамото, Т. Такигава, Н. Исии, Т. Аида, Science 2003 , 300 , 2072.

[iv] T. Katakabe, T. Kaneko, M. Watanabe, T. Fukushima, T. Aida, J. Electrochem. Soc. 2005 , 152 (10), A1913.

Преимущества использования электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы получают большую часть своей емкости из-за образования газового слоя на одной пластине при соблюдении правильной полярности.Емкость (C) — это величина заряда (Q) на каждой пластине, деленная на напряжение (V), приложенное к пластинам: C = Q / V. Этот газообразный слой и больший диэлектрический эффект придают электролитическому конденсатору гораздо большую емкость по объему, чем могут достичь другие типы конденсаторов.

Размер

Наиболее распространенным типом электролитических конденсаторов является танталовый конденсатор. Другие разлагаются по типу газа или используемой диэлектрической пасте, типичными являются электролитический алюминий и полипиррол.В каждом случае емкость электролитического конденсатора может быть достигнута только с помощью неэлектролитического конденсатора (такого как бумажные или слюдяные конденсаторы) гораздо большего размера.

Емкость

Электролитические конденсаторы имеют большую емкость на единицу объема, чем конденсаторы любого другого типа. Из-за такой разницы в размерах немногие неэлектролитические конденсаторы изготавливаются с емкостью более 10 микрофарад (мкФ).

Использует

Из-за более высоких значений емкости электролитические конденсаторы чаще всего используются в низкочастотных устройствах, таких как фильтры источников питания. Высокие значения емкости, обычно связанные с электролитическими конденсаторами, действуют как короткие замыкания или линии с низким сопротивлением для ВЧ (радиочастот) и высокочастотных приложений.

Приложения

Из-за своей конструкции и работы с учетом полярности электролитические конденсаторы требуют более осторожного обращения, чем другие конденсаторы. При неправильной установке (с обратной поляризацией) электролитические конденсаторы не будут иметь правильную емкость и могут создать внутреннее давление газа, что приведет к (незначительному) взрыву.Электролитические конденсаторы также более чувствительны к температуре, чем другие типы конденсаторов. Перед использованием электролитического конденсатора убедитесь, что он подходит для ожидаемых температурных условий.

Правильно выбранные и установленные электролитические конденсаторы являются полезным компонентом в инвентаре проектировщика схем, обеспечивая высокую емкость при небольшом размере (занимаемая монтажной платой) и стоимости по сравнению с другими типами конденсаторов.

Выделение тепла и разложение в электрохимических конденсаторах

Abstract

Электрохимические конденсаторы (ЭК) привлекли большое внимание как системы хранения электроэнергии для приложений большой мощности благодаря их высокой эффективности цикла и длительному сроку службы.Однако при сильном циклировании тока они могут выделять значительное количество тепла, что приводит к чрезмерно высоким температурам элементов. Повышенные температуры, в свою очередь, могут привести к (i) увеличению скорости саморазряда, (ii) ускоренному старению устройства и (iii) разложению и испарению электролита, вызывая ухудшение их рабочих характеристик и срока службы. В этом контексте ионные жидкие (ИЖ) электролиты являются многообещающими из-за их превосходной термической стабильности в больших рабочих температурных окнах.Однако самые последние калориметрические исследования позволили измерить скорость необратимого и обратимого тепловыделения в конденсаторах с двойным электрическим слоем (EDLC), состоящих из электродов из активированного угля (AC) с органическими и водными электролитами при комнатной температуре. В этой докторской диссертации экспериментально исследуется скорость тепловыделения в электродах переменного тока с чистыми ИЖ или разбавленными электролитами в виде органических растворителей в диапазоне температур от 5 до 80 ° C. Во-первых, потенциальное окно 1 В использовалось для сравнения с предыдущими калориметрическими исследованиями с использованием водных или органических электролитов.Затем было испытано более реалистичное окно потенциала 2,5 В для того же диапазона температур. Наблюдались эндотермические провалы в мгновенной скорости тепловыделения на отрицательном электроде в разбавленной ИЖ, которые росли с увеличением температуры из-за эффектов избыточного экранирования, десольватации ионов и / или разложения ПК. Необратимое тепловыделение было одинаковым в каждой полуячейке и уменьшалось с повышением температуры из-за увеличения проводимости электролита с температурой. Суммарное необратимое тепловыделение хорошо согласуется с джоулевым нагревом для окна потенциала 1 В, что также наблюдается для водных и органических электролитов. Однако общее необратимое тепловыделение превышало джоулев нагрев для потенциального окна 2,5 В, особенно при высокой температуре и низком токе. Это было связано с десорбцией ионов и перераспределением заряда в пористых электродах. Наконец, обратимое тепловыделение увеличивалось с увеличением температуры и было больше на положительном электроде, чем на отрицательном электроде из-за разницы в размерах анионов и катионов.

Более того, повышенные температуры, связанные с высокой скоростью тепловыделения, очень опасны для гибких и пригодных для носки полностью твердотельных суперконденсаторов с гелевыми электролитами, находящимися в непосредственном контакте с пользователями.Следовательно, количественное определение количества тепла, выделяемого в таких устройствах, необходимо для разработки стратегии управления температурным режимом, чтобы обеспечить комфорт и безопасность пользователя. В этой диссертации также исследуется тепловыделение в гибких полностью твердотельных суперконденсаторах, состоящих из графеновых лепестков, выращенных на электродах с клейкой бумагой с обычным (не окислительно-восстановительным) или окислительно-активным гелевым электролитом. Общее необратимое тепловыделение было равно джоулева нагреву для обоих типов устройств, но было больше в устройстве с окислительно-восстановительным гелевым электролитом из-за его большего внутреннего сопротивления.Кроме того, скорость обратимого тепловыделения была разной на положительном и отрицательном электродах в каждом устройстве из-за асимметрии в механизмах зарядки, вызванной сочетанием образования двойного электрического слоя (EDL), эффекта избыточного экранирования и дополнительных окислительно-восстановительных реакций в окислительно-восстановительных системах. активный гелевый электролит. Это исследование дополнительно демонстрирует, как в оперативной калориметрии можно не только количественно оценить скорость тепловыделения, необходимую для терморегулирования устройства, но и дать представление об электрохимических явлениях, происходящих во время циклирования ЭК.

Основное содержание

Загрузить PDF для просмотраПросмотреть больше

Введите пароль, чтобы открыть этот PDF-файл:

Отмена
ОК

Подготовка документа к печати…

Отмена

Лаборатория конденсаторов — Визуальные признаки отказа конденсатора

	Неисправные конденсаторы Chhsi на плате MSI
	Следует подчеркнуть, что конденсаторы не всегда имеют видимые признаки неисправности. Они могут полностью высохнуть внутри, закоротиться или разомкнуться и при этом выглядеть нормально. Проблемы с компьютером также могут возникать, когда конденсаторы находятся на ранних стадиях выхода из строя, прежде чем начинают проявлять видимые признаки отказа, просто потому, что они работают ниже спецификации, которую требуют от них компьютерные схемы.
	Давайте рассмотрим два основных типа видимых неисправностей.
	Поскольку химическая реакция внутри конденсатора, когда он выходит из строя, может привести к образованию газообразного водорода, конденсаторы имеют вентиляционные отверстия в крышках алюминиевых банок. Они предназначены для разрушения и выпуска газа, скопившегося внутри конденсатора. Вентиляционные отверстия различаются в зависимости от марки конденсатора, популярными формами являются X, K, T, логотип типа Mercedes или различные другие типы вентиляционных отверстий.
	Значит, вышедший из строя конденсатор может иметь выпуклость вверху.Это может сопровождаться небольшим отложением высохшего электролита в середине верхней части. Разряд электролита также может быть больше, покрывая верхнюю часть колпачка высушенным веществом, которое может быть черного, оранжевого, коричневого, белого или аналогичного цвета. Выпуклость могла быть незначительной или вполне очевидной, даже если вентиляционные отверстия были полностью выбиты.
	На первой фотографии выше показаны конденсаторы Chhsi, вышедшие из строя на плате MSI. Семь конденсаторов явно выпирают, а один выглядит нормально. В этом случае мы не оставим нормально выглядящий конденсатор, а заменим его, а также другие выпуклые конденсаторы. Мы сделали бы это, потому что это тот же бренд, что и выпуклые конденсаторы, которые уже доказали нам, что они ненадежны.
	Неисправные конденсаторы Jackcon на плате ABIT
	На фото выше показаны конденсаторы Jackcon, которые вышли из строя и слегка вздуваются. В то время как конденсаторы Chhsi на первой фотографии показывают черный электролит, Jackcon имеет оранжевый цвет. Это можно просто объяснить разным химическим составом электролита.
	Справа от фотографии выше вы можете увидеть фиолетовый конденсатор GSC, который протекает сверху, это обычно очень оранжевый электролит.
	Конденсатор Jackcon на плате ABIT, наклоняющийся при выдвижении нижней заглушки
	Баки конденсаторов закрыты снизу пробкой. Обычно он изготавливается из синтетического каучука, называемого EPT или этилен-пропиленовый терполимер. В конденсаторах низкого качества он может быть изготовлен из натурального каучука, который с возрастом дает усадку. Также уплотнение может быть просто не прочным из-за изготовления конденсатора.
	Что может случиться, так это то, что вместо выхода газа и электролита в верхней части конденсатора через вентиляционные отверстия конденсатор вместо этого несколько выталкивает пробку и утекает электролит на плату.
	Поскольку плата стоит вертикально, электролит может стекать по доске на довольно большом расстоянии. Хотя электролит может вызывать коррозию, сообщений о следах или повреждении компонентов в результате утечки электролита не поступало. После замены конденсаторов электролит можно очистить ватным тампоном и небольшим количеством изопропилового спирта, который не повредит компоненты, поскольку он испарится.
	На фотографии выше видно, что конденсатор Jackcon наклонен. Это один из индикаторов того, что нижняя заглушка конденсатора могла быть выброшена. Также есть след засохшего коричневого электролита. Обратите внимание, что через верхнюю часть конденсатора не вытекает электролит, хотя он немного вздут.
	Следует подчеркнуть, однако, что конденсаторы, которые не вышли из строя, могут наклоняться, потому что они были установлены на плате таким образом, или они могли быть нарушены пользователем во время работы с платой.
	Поэтому необходимо искать другие признаки, такие как засохший электролит, на дне конденсатора или на плате.Посмотрите на нижнюю часть конденсатора, и вы можете увидеть, как черная заглушка немного выступает и поднимает конденсатор над материнской платой.
	Если мы посмотрим на зеленый конденсатор Jackcon слева на фотографии, мы увидим, что он не только наклонен, но и темный электролит высох вокруг нижней части конденсатора, потому что заглушка снова была вытолкнута. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий Имя * Email * Сайт