3 cosas importantes sobre el condensador de tántalo
Introducción
El tántalo (Ta) es un metal de transición raro, duro, de color gris azulado y lustroso, muy resistente a la corrosión y conductor del calor y la electricidad. Presenta una excelente inmunidad al agua regia agresiva por debajo de 150℃. Debido a sus buenas propiedades físicas y químicas, el tántalo se utiliza principalmente en el campo de la electrónica, las aleaciones y otras áreas. La figura 1 muestra el envío de productos de tántalo en 2016 [1]. La mayor parte del tántalo se utiliza en condensadores como ánodos que pertenecen a la electrónica, y otros se utilizan principalmente en aleaciones, productos químicos y cátodos para sputtering. En 2021, alrededor del 70% de la demanda de tántalo procederá de la industria electrónica: ánodos para condensadores, cátodos para semiconductores y revestimientos de sinterización para ánodos [2]. Hablemos primero de los condensadores de tántalo.
Figura 1: Envío de productos de tántalo en 2016 [1]
¿Cómo se fabrica el condensador de tántalo?
Al igual que otros condensadores, un condensador de tántalo tiene 3 componentes: un ánodo, un cátodo y un electrolito. El ánodo se fabrica con polvo de tántalo puro y alambres.
Al comprimir el polvo de tantalio alrededor de un alambre de tantalio, obtenemos una forma de "pellet" de tantalio. A continuación, se sinteriza el "pellet" a unos 1200 a 1800℃ para eliminar las impurezas. Durante este proceso, el polvo también adquiere una estructura porosa, lo que puede aumentar su valor de capacitancia. En otras palabras, los condensadores de tántalo tienen un mayor valor de capacitancia/volumen en comparación con otros condensadores como los de aluminio.
Después de la sinterización, se forma un dieléctrico fuera de las superficies de las partículas de tántalo transformando la capa exterior de tántalo en Ta2O5. Este proceso se denomina anodización. El grosor del dieléctrico está directamente relacionado con la prueba de tensión de los condensadores. Cada condensador debe tener un margen de seguridad de espesor de la capa de óxido para garantizar un funcionamiento fiable.
El último paso es añadir un cátodo fuera del dieléctrico. Los condensadores de tántalo húmedo utilizan un electrolito líquido para sumergir la parte de tántalo y una carcasa cubre los condensadores de tántalo húmedo. La carcasa y el electrolito líquido funcionan como cátodo en el condensador de tántalo húmedo. Para el condensador de tántalo sólido, sumergir el ánodo en una solución de Mn(NO3)2 y hornearlo a unos 250℃ permitirá que se forme una capa de MnO2 fuera del dieléctrico. Repítalo varias veces hasta que se forme una capa de MnO2 suficientemente gruesa fuera de la "pastilla". A continuación, sumérjalo en grafito y plata para conseguir una buena conexión entre el cátodo de MnO2 y la terminación catódica externa. La figura 2 ofrece una vista más breve del condensador de tántalo sólido.
Figura 2: sección transversal de un condensador de tántalo sólido
Ventajas y desventajas del condensador de tántalo
Ventajas
Los condensadores de tántalo tienen características de frecuencia superiores y una vida útil más larga en comparación con los condensadores de aluminio o los condensadores cerámicos. Su resistencia en serie equivalente también es menor, lo que significa que corrientes mayores pueden pasar a través del condensador con menos calor. Además, los condensadores de tántalo ofrecen la mayor capacitancia por volumen, como ya se ha mencionado. Gracias a estas ventajas, los condensadores de tántalo son populares en campos electrónicos como los ordenadores portátiles, los teléfonos inteligentes, etc.
Desventajas
Sin embargo, los condensadores de tántalo no se utilizan tanto como los condensadores de aluminio, los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) o incluso los condensadores de niobio. Una de las razones es que el suministro y el precio del metal de tántalo son inestables. En algunos casos, la gente empieza a utilizar MLCC para sustituir a los condensadores de tántalo pequeños, y condensadores de aluminio para sustituir a los condensadores de tántalo grandes.
Dado que están polarizados, los condensadores de tántalo sólo pueden utilizarse con corriente continua y no con corriente alterna. Además, cuando los ánodos entran en contacto con los cátodos de MnO2 durante los picos de tensión, los condensadores de tántalo pueden presentar un modo de fallo peligroso, como una reacción química que produce humo y llamas. Para evitarlo, los condensadores de tántalo deben utilizarse conjuntamente con limitadores de corriente o fusibles térmicos.
Aplicaciones de los condensadores de tántalo
Los condensadores de tántalo se utilizan principalmente debido a su mayor capacitancia/volumen, buena estabilidad y características de frecuencia superiores. Los condensadores de tántalo pueden utilizarse para sustituir a los electrolíticos de aluminio en aplicaciones militares debido a su estabilidad en la capacitancia a lo largo del tiempo. La electrónica médica también utiliza condensadores de tántalo por esta ventaja. Entre los productos electrónicos, los PC de sobremesa y los portátiles son los que más condensadores de tántalo utilizan. Y sorprendentemente, los smartphones y los teléfonos móviles utilizan muy pocas cantidades de condensadores de tántalo en comparación.
Reciclaje del tántalo
Con el creciente consumo de productos de tántalo, se producen grandes cantidades de residuos que contienen tántalo. Los residuos de producción durante la fabricación de superaleaciones y cátodos para sputtering y los descartes de final de vida útil de la industria electrónica aumentaron significativamente. Por otra parte, la diferencia entre la demanda y la oferta de tántalo es cada vez mayor. Para cerrar esta brecha, el reciclaje de residuos de tántalo comienza a desarrollarse de nuevo.
El reciclaje puede dividirse en 2 partes: reciclaje previo al consumo y reciclaje posterior al consumo [3]. La mayor parte del tántalo se recicla a partir de chatarra de preproducción debido a su baja contaminación y a sus escasas dificultades. El reciclado preconsumo puede mejorar eficientemente el proceso total de producción con generación de residuos minerales. La concentración de tántalo, el coste de limpieza, el tamaño y la economía son los principales factores que afectan a las estrategias de reciclaje.
El reciclado postconsumo del tántalo no se ha desarrollado muy bien debido a la baja concentración de tántalo en comparación con otros metales como el Cu y el Au. En el caso de los productos pirometalúrgicos de tántalo, el proceso de reciclado postconsumo del tántalo es muy complicado. Los condensadores de tántalo de menor tamaño empeoran aún más esta situación. Deberían realizarse más investigaciones para crear un método económico y respetuoso con el medio ambiente para reciclar los productos de tántalo postconsumo.
Cita
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Global market trends of tantalum and recycling methods from Waste Tantalum Capacitors: A review. Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
- Zogbi, D. M. (2021, 10 de mayo). The tantalum supply chain: 2021 global market update. TTI, Inc. Obtenido el 4 de enero de 2023, del sitio Web: https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html.
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Global market trends of tantalum and recycling methods from Waste Tantalum Capacitors: A review. Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
