3 cose importanti sul condensatore al tantalio

Introduzione

Il tantalio (Ta) è un metallo di transizione raro, duro, grigio-blu e brillante, altamente resistente alla corrosione e conduttore di calore ed elettricità. Ha un'eccellente immunità all'acqua regia aggressiva a 150℃. Grazie alle sue buone proprietà fisiche e chimiche, il tantalio è utilizzato principalmente nel campo dell'elettronica, delle leghe e in altri settori. La Figura 1 mostra la spedizione di prodotti di tantalio nel 2016 [1]. La maggior parte del tantalio è utilizzato nei condensatori come anodi che appartengono all'elettronica, mentre altri sono utilizzati principalmente nelle leghe, nei prodotti chimici e negli obiettivi di sputtering. Nel 2021, circa il 70% della domanda di tantalio proverrà dall'industria elettronica: anodi per condensatori, obiettivi per semiconduttori e rivestimenti per sinterizzazione di anodi [2]. Parliamo innanzitutto dei condensatori al tantalio.

Figura 1: spedizione di prodotti di tantalio nel 2016 [1].

Come viene prodotto il condensatore al tantalio?

Proprio come gli altri condensatori, un condensatore al tantalio ha 3 componenti: un anodo, un catodo e un elettrolita. La polvere di tantalio puro e i fili sono utilizzati per realizzare la parte anodica.

Comprimendo la polvere di tantalio attorno a un filo di tantalio, si ottiene una forma di "pellet" di tantalio. Quindi si sinterizza il pellet a circa 1200-1800℃ per eliminare le impurità. Durante questo processo, la polvere assume anche una struttura porosa, che può aumentare il suo valore di capacità. In altre parole, i condensatori al tantalio hanno un valore di capacità/volume più elevato rispetto ad altri condensatori, come quelli in alluminio.

Dopo la sinterizzazione, all'esterno delle superfici delle particelle di tantalio si forma un dielettrico che trasforma lo strato esterno di tantalio in Ta2O5. Questo processo è chiamato anodizzazione. Lo spessore del dielettrico è direttamente correlato alla resistenza alla tensione dei condensatori. Ogni condensatore deve avere un margine di sicurezza nello spessore dello strato di ossido per garantire una funzionalità affidabile.

L'ultima fase consiste nell'aggiungere un catodo all'esterno del dielettrico. I condensatori al tantalio umido utilizzano un elettrolita liquido per immergere la parte in tantalio e un involucro copre i condensatori al tantalio umido. L'involucro e l'elettrolita liquido fungono da catodo nel condensatore al tantalio umido. Per il condensatore al tantalio solido, immergendo l'anodo in una soluzione di Mn(NO3)2 e cuocendo a circa 250℃ si formerà uno strato di MnO2 all'esterno del dielettrico. Ripetere più volte finché non si forma uno strato di MnO2 abbastanza spesso all'esterno della "pallina". Quindi immergerlo in grafite e argento per ottenere un buon collegamento dal catodo di MnO2 alla terminazione catodica esterna. La Figura 2 fornisce una visione più breve del condensatore al tantalio solido.

Figura 2: sezione trasversale di un condensatore al tantalio solido

Vantaggi e svantaggi del condensatore al tantalio

Vantaggi e svantaggi

I condensatori al tantalio hanno caratteristiche di frequenza superiori e una durata maggiore rispetto ai condensatori in alluminio o ai condensatori ceramici. La loro resistenza in serie equivalente è anche più piccola, il che significa che grandi correnti possono passare attraverso il condensatore con meno calore. Inoltre, come già detto, i condensatori al tantalio offrono la più alta capacità per volume. Grazie a questi vantaggi, i condensatori al tantalio sono molto diffusi nei settori elettronici come i computer portatili, gli smartphone e così via.

Svantaggi

Tuttavia, i condensatori al tantalio non sono così ampiamente utilizzati come i condensatori in alluminio, i condensatori ceramici multistrato (MLCC) o persino i condensatori al niobio. Uno dei motivi è che l'offerta e il prezzo del tantalio metallico sono instabili. In alcuni casi, si iniziano a utilizzare gli MLCC per sostituire i piccoli condensatori al tantalio e i condensatori in alluminio per sostituire i grandi condensatori al tantalio.

Essendo polarizzati, i condensatori al tantalio possono essere utilizzati solo in corrente continua e non in corrente alternata. Inoltre, quando gli anodi entrano in contatto con i catodi MnO2 durante i picchi di tensione, i condensatori al tantalio possono presentare una modalità di guasto pericolosa, come una reazione chimica che produce fumo e fiamme. Per evitarlo, i condensatori al tantalio devono essere utilizzati insieme a limitatori di corrente o fusibili termici.

Applicazioni del condensatore al tantalio

I condensatori al tantalio sono utilizzati principalmente per la loro massima capacità/volume, la buona stabilità e le caratteristiche di frequenza superiori. I condensatori al tantalio possono essere utilizzati per sostituire gli elettrolitici in alluminio nelle applicazioni militari, grazie alla loro stabilità di capacità nel tempo. Anche l'elettronica medica utilizza condensatori al tantalio per questo vantaggio. Tra i prodotti elettronici, i PC desktop e i notebook utilizzano la maggior quantità di condensatori al tantalio. Sorprendentemente, gli smartphone e i telefoni cellulari utilizzano pochissimi condensatori al tantalio.

Riciclaggio del tantalio

Con l'aumento del consumo di prodotti al tantalio, vengono prodotti molti rifiuti contenenti tantalio. I rifiuti di produzione durante la fabbricazione di superleghe e bersagli sputtering e gli scarti a fine vita dell'industria elettronica sono aumentati in modo significativo. Per contro, il divario tra domanda e offerta di tantalio diventa sempre più grande. Per colmare questo divario, il riciclaggio dei rifiuti di tantalio inizia a svilupparsi nuovamente.

Il riciclaggio può essere suddiviso in due parti: riciclaggio pre-consumo e riciclaggio post-consumo [3]. La maggior parte del tantalio viene riciclato da scarti di pre-produzione a causa della sua bassa contaminazione e delle basse difficoltà. Il riciclaggio pre-consumo può migliorare efficacemente il processo di produzione totale con la generazione di rifiuti minerali. La concentrazione di tantalio, i costi di pulizia, le dimensioni e l'economia sono i principali fattori che influenzano le strategie di riciclaggio.

Il riciclaggio post-consumo per il tantalio non si è sviluppato molto bene a causa della bassa concentrazione di tantalio rispetto ad altri metalli come Cu e Au. Per i prodotti pirometallurgici del tantalio, il processo di riciclaggio post-consumo del tantalio è molto complicato. I condensatori al tantalio di piccole dimensioni peggiorano ulteriormente la situazione. È necessario condurre ulteriori ricerche per creare un metodo economico e rispettoso dell'ambiente per riciclare i prodotti di tantalio post-consumo.

Citazione

1. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendenze del mercato globale del tantalio e metodi di riciclaggio dei condensatori al tantalio di scarto: Materiali e tecnologie sostenibili, 29, e00323.
2. Zogbi, D. M. (2021, 10 maggio). La catena di approvvigionamento del tantalio: aggiornamento del mercato globale 2021. TTI, Inc. Recuperato il 4 gennaio 2023 da https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html.
3. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendenze del mercato globale del tantalio e metodi di riciclaggio dei condensatori di tantalio di scarto: Materiali e tecnologie sostenibili, 29, e00323.