電解電容

電解電容是一種按結構、製作工藝劃分的電容種類。通常，電解電容是一種有極性的電容。電解電容的陽極採用可鈍化的金屬材料，比如鋁、鉭、鈮、鈦等；介電材料為陽極金屬材料表面生成的緻密氧化物薄膜；電解電容的陰極材料為電解質。電解電容的主要特點是，在相同的體積下，可以得到比普通電容大得多的電容量（假設耐壓相等）。^[1]

電解電容受到過高電壓折磨或老化，會變得發脹、爆裂甚至發生爆炸。

電解電容器
上：軸向型（90年代後期已少見）
下：徑向型

電解電容所用的電解質型態，有以下種類：

• 浸潤電解液的多孔吸收物。例如浸潤電解液的紙。
• 固態電解質。見於某些特定形式的電解電容器，例如鉭質電容器與鋁固體電容器。
• 電解液（液態、可流動）。僅見於極少數特定的古董級電容器。

極性與電路符號

一般電子電路中使用的電解電容器絕大多數是有極性的。但也存在無極性鋁質電解電容，可供特定用途使用。

以下是各式常見的電路符號，並與其他電容器符號比較：

電容器（無極性）		有極性電容器		可變電容器

等效電路

• R_leakage：漏電電阻
• R_ESR：等效串聯電阻
• L_ESL：等效串聯電感

基本信息

電解電容器家族樹

根據電解電容的基本結構原理，可將其分為三大類：鋁電解電容、鉭電解電容和鈮電解電容。這三種電解電容均可使用非固態或固態（如二氧化錳或導電聚合物）電解質，因此可以形成多種不同的陽極材料與固態或非固態電解質的組合。

電解電容器的種類繁多，可根據所用陽極金屬和電解質的性質分類

充電原理

與其他傳統電容器類似，電解電容通過兩個電極之間的介電氧化層中的電場中的電荷分離，靜態存儲電能。電解電容的非固態或固態電解質在原理上充當陰極，即電容器的第二個電極。這一區別使電解電容不同於電化學電容或超級電容器。後者的電解質通常是兩個電極之間的離子導電連接，其能量存儲機制依賴於靜電雙電層電容和電化學贗電容。

基本材料與結構

陽極氧化（成型）的基本原理，通過用電流源施加電壓，在金屬陽極上形成氧化層

電解電容利用某些特殊金屬的化學特性，這些金屬曾被稱為「閥金屬」，在特定的電解質環境下，通過陽極氧化可在其表面形成一層極薄的絕緣氧化層，該層可作為電容器的介電層。目前，電解電容主要採用以下三種陽極金屬：

1. 鋁電解電容器：使用高純度蝕刻鋁箔，介電層為氧化鋁。
2. 鉭電解電容器：採用高純度鉭粉燒結成塊，介電層為五氧化二鉭。
3. 鈮電解電容器：使用高純度鈮粉或鈮氧化物粉末燒結成塊，介電層為五氧化二鈮。

為了提高單位體積的電容值，所有陽極材料均經過蝕刻或燒結，使其表面呈現較高的粗糙度，從而比光滑表面提供更大的有效表面積。在電解液中施加正電壓後，陽極材料表面會形成與施加電壓相對應厚度的氧化物屏障層（成膜過程）。該氧化物層在電解電容中充當介電層。下表列出了不同氧化層材料的特性：

鋁、鉭、鈮電解電容器中不同氧化層的特性^[2]

陽極材料	介電質	氧化物結構	相對電容率	擊穿電壓（V/μm）	層厚度（nm/V）
鋁	氧化鋁	非晶態	9.6	710	1.4
		晶態	11.6-14.2[3]	800-1000	1.25-1.0
鉭	五氧化二鉭	非晶態	27	625	1.6
鈮或氧化鈮	五氧化二鈮	非晶態	41	400	2.5

在形成粗糙的陽極介電氧化層後，電解質需與絕緣氧化表面相匹配，以充當電解電容的陰極。電解質種類多樣，通常分為「非固態」和「固態」兩大類。作為具有離子電導性的液態介質，非固態電解質能夠很好地適應粗糙結構。而固態電解質，如二氧化錳或導電聚合物，則需通過特殊的化學工藝（如二氧化錳的熱裂解或導電聚合物的聚合反應）來填充粗糙結構。

從不同氧化層材料的介電常數對比來看，五氧化二鉭的介電常數約為氧化鋁的三倍，因此相同電容量（CV值）下，鉭電解電容的體積理論上可比鋁電解電容更小。然而，實際應用中，由於可靠性要求的安全裕度不同，使得兩者的實際體積對比較為複雜。

需要注意的是，如果施加的電壓極性發生變化，電解電容中的陽極氧化絕緣層將被破壞。

電容量與體積效率

在兩個導電板（電極）之間放置介電材料，其中電極面積為A，間距為d。

電解電容基於「平板電容器」原理，其電容量C隨着電極面積A增大、介電常數ε提高、介電層厚度d 變薄而增大：

${\displaystyle C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}}$

電解電容的介電層厚度極小，通常在每伏納米級範圍內。同時，這些氧化層的耐壓強度較高。由於這種極薄的介電氧化層結合了足夠高的介電強度，電解電容能夠實現較高的體積電容。這是電解電容相較於傳統電容器能達到高電容量的一個重要原因。

所有經過蝕刻或燒結的陽極，其表面積遠大於同體積或同面積的光滑表面，這使得電容量顯著增加。例如，在額定電壓範圍內，非固態鋁電解電容及固態鉭電解電容的電容量可比普通電容提高最多200倍。^[4][5][6]較大的表面積是電解電容相較於其他電容器家族能達到高電容量的第二個主要原因。

由於形成電壓決定了氧化層厚度，因此可以輕鬆調整電解電容的額定電壓。電解電容具有較高的容積效率，即「CV值」（電容量與電壓的乘積除以體積），是衡量其性能的重要指標。

非固態鋁電解電容的基本結構

• 非固體鋁電解電容器的基本結構
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  展開的電解電容繞組結構，展示多層連接的鋁箔
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  鋁電解電容的橫截面特寫，帶氧化層的陽極箔、浸透電解液的紙質間隔層和陰極箔
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  典型單端非固態鋁電解電容的構造

固態鉭電解電容的基本結構

• 採用二氧化錳電解質的固體鉭芯片電容器的構造
• 
  鉭電解電容的電容單元由燒結鉭粉構成
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  固態鉭電解電容的燒結結構示意圖，固態電解質與陰極接觸層
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  典型的表面貼裝（SMD）固態鉭芯片電容的構造

參見

• 鋁電解電容器
• 電容爆漿