Elektrolyt-Kondensator mit flüssigem Elektrolyt Vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyt- Kondensator mit verbessertem flüssigem Elektrolyt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Kon densator mit hoher Beständigkeit und verlängerter Lebensdauer zu schaffen, wenn er bei hohen Span nungen und in einem Temperaturbereich von etwa -55 bis 125 C betrieben wird, wobei Kapazität und Widerstand sich in diesem Temperaturbereich nur wenig ändern.
Der Elektrolyt dieses Kondensators ist nicht wässerig, welche Tatsache dem Elektrolyt-Konden- sator die obenerwähnten verbesserten Eigenschaften verleiht.
Der erfindungsgemässe Elektrolyt-Kondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt N,N- Dimethylformamid als Lösungsmittel und eine darin gelöste ionenliefernde Substanz, wie z. B. Ammo- niumborat, enthält. Dieser Elektrolyt ist besonders brauchbar in Kondensatoren, von denen eine Elek trode aus Tantal oder einem andern geeigneten film bildenden Material besteht.
Vorzugsweise besteht der erfindungsgemässe Elek trolyt aus N,N Dimethylformamid und einer darin gelösten ionenliefernden Substanz, welche den Zweck hat, dem Elektrolyten die notwendige Leitfähigkeit zu verleihen. Die ionenliefernde Substanz kann in ausserordentlich kleinen Mengen anwesend sein, und es wird gewöhnlich eine solche Menge verwendet, die sich bei einer Temperatur von -55 C nicht ausscheidet.
Bei Verwendung von niedrigen Span nungen können höhere Konzentrationen der ionen- liefernden Substanz verwendet werden, wogegen bei Verwendung von höheren Spannungen niedrigere Konzentrationen benutzt werden können. Eine bevor zugte ionogene Substanz für diesen Elektrolyt ist Ammoniumborat, z. B. Ammoniumpentaborat und Ammoniumtetraborat, insbesondere für Anwendungs gebiete von Hochspannung.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle ionenliefernde Substanz be schränkt, und es können andere Salze verwendet werden mit Einschluss anderer Alkaliborate und Alkaliphosphate (mit Einschluss des Ammonium phosphates) sowie der Oxalate, Citrate, Tartrate, Succinate, Nitrate, Chloride, Bichromate und Acetate mit guter Löslichkeit in N,N Dimethylformamid.
Ein besonders zufrieden-stellender Elektrolyt für den erfindungsgemässen Kondensator besitzt folgende Zusammensetzung in. Gewichtsprozenten:
EMI0001.0046
<I>Elektrolyt <SEP> A</I>
<tb> Ammoniumpentaborat <SEP> 0,2%
<tb> N,N-Dimethylformamid <SEP> 99,80/a Die Eigenschaften dieses Elektrolyten gaben im Vergleich zu einem bereits bekannten und unten be schriebenen Elektrolyten B gewisse Verbesserungen.
EMI0001.0047
<I>Elektrolyt <SEP> B</I> <SEP> (bekannter <SEP> Zusammensetzung)
<tb> Ammoniumpentaborat <SEP> 3,5%
<tb> Äthylenglycol <SEP> <B>60,30/,)</B>
<tb> Wasser <SEP> 36,2% Einige Eigenschaften dieser beiden Elektrolyte sind in Tabelle I zusammengestellt:
EMI0002.0001
<I>Tabelle <SEP> I</I>
<tb> Elektrolyt <SEP> A <SEP> Elektrolyt <SEP> B
<tb> Gefrierpunkt <SEP> -61 <SEP> C <SEP> unterhalb <SEP> -55 <SEP> C
<tb> Siedepunkt <SEP> 153 <SEP> C <SEP> 118 <SEP> C
<tb> Dampfdruck <SEP> bei <SEP> 85 <SEP> C <SEP> 85 <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> 290 <SEP> mm <SEP> H Dampfdruck <SEP> bei <SEP> 125 <SEP> C <SEP> 340 <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> <B>1</B>240 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> spezifischer <SEP> Widerstand <SEP> bei <SEP> -55 <SEP> C <SEP> 32 <SEP> 000 <SEP> Ohm/cm <SEP> 30 <SEP> 000 <SEP> Ohm/cm
<tb> <SEP> <B>D <SEP> </B> <SEP> 25
<SEP> C <SEP> 4 <SEP> 200 <SEP> Ohm/cm <SEP> 250 <SEP> Ohm/cm
<tb> <SEP> <SEP> <SEP> 85 <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 400 <SEP> Ohm/cm <SEP> 75 <SEP> Ohm/cm
<tb> <SEP> 5 > <SEP> 125 <SEP> C <SEP> 1250 <SEP> Ohm/cm <SEP> > <SEP> 150 <SEP> C <SEP> 840 <SEP> Ohm/cm <SEP> - Aus der Tabelle I geht der .grössere Temperatur bereich, der niedrigere Dampfdruck und der weniger schwankende spezifische Widerstand des Elektro lyten A gegenüber dem bereits bekannten Elektro lyten B hervor.
Es wurden Versuche über die Lebensdauer von Kondensatoren durchgeführt, welche mit den beiden obigen Elektrolyten imprägniert waren, wobei die Kondensator-Anoden und -Kathoden aus 0,013 mm dicken Tantalfolien bestanden und die Trennung zwischen den Elektrodenfolien mit zwei Papierblät tern von etwa 0,03 mm Dicke durchgeführt wurde.
Bei der Prüfung der Lebensdauer dieser Kondensa toren bei 125 C und 150 Volt Gleichspannung wurde gefunden, dass die mit dem bekannten Elektro lyten B imprägnierten Einheiten schon alle vor Ab lauf von 22 Tagen unter obigen Versuchsbedingun gen versagten, während die den erfindungsgemässen Elektrolyten A enthaltenden Einheiten noch nach 45 Tagen wirksam und betriebsfähig waren.
Nach diesem Zeitraum enthielten die den Elektrolyt A enthaltenden Einheiten noch 78 % ihrer ursprüng- lichen Kapazität bei Zimmertemperatur, während die Einheiten mit dem Elektrolyt B schon nach 7 Tagen auf 79% ihrer Kapazität zurückgegangen waren. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine sechsfache Ver längerung der Lebensdauer möglich ist,
bei Ver wendung der Elektrolytzusammensetzung A anstelle des bekannten Elektrolyten B.
In einer ähnlichen Versuchsreihe wurden die Kondensatoreinheiten bei 85 C und 300 Volt Gleich spannung in Betrieb gesetzt; die den Elektrolyt A enthaltenden Einheiten wiesen nach 90 Tagen noch 88% der ursprünglichen Kapazität bei Zimmer- temperatur auf,
während die Einheiten mit dem Elektrolyt B nach 12 Tagen 84% der ursprünglichen Kapazität aufwiesen, was in diesem Fall einer un gefähr 8fachen Verbesserung entsprechen würde. In einem weiteren Versuch wurden Kondensatoren mit dem Elektrolyten A bei 125 C und 300 Volt Gleich spannung in Betrieb genommen, und es wurde fest gestellt, dass nach 1600 Stunden (66 Tagen) diese Einheiten noch 97,50/a ihrer bei 120 Hz gemessenen Kapazität bei Zimmertemperatur enthielten.
In der Tabelle II sind -einige Eigenschaften von mit dem Elektrolyt A imprägnierten Kondensator einheiten bei niedriger Temperatur angegeben.
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<I>Tabelle <SEP> 11</I>
<tb> Temperatur <SEP> o
<tb> o <SEP> C <SEP> Hz <SEP> - <SEP> Kapazität <SEP> /o <SEP> V <SEP> o, <SEP> K2;;
<tb> 25 <SEP> 120 <SEP> 1,09 <SEP> 7,0 <SEP> 100
<tb> 25 <SEP> 1000 <SEP> 1,06 <SEP> 11,0 <SEP> 100
<tb> -55 <SEP> 120 <SEP> 1,01 <SEP> 8,0 <SEP> 92,7
<tb> -55 <SEP> 1000 <SEP> 0,94 <SEP> 40,3 <SEP> 88,7 In der Tabelle 1I bedeutet Hz die Anzahl Schwin- gungen pro Sekunde, % V ist der prozentuale Ver- lust (entsprechend dem Leistungsfaktor),
und % K gibt den prozentualen Kapazitätswert im Vergleich zur ursprünglichen Kapazität bei 25 C an. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist die verbleibende prozen tuale Kapazität, welche bei -55 C verbleibt, so- wohl bei 120 als auch bei 1000 Hz ausserordent lich hoch, und auch der Verlust ist bei diesen nied rigen Temperaturen durchaus zufriedenstellend.
Nachfolgend seien noch einige Zusammensetzun gen in Gewichtsprozenten als Beispiele erfindungs gemässer Elektrolyte angeführt:
EMI0003.0001
N,N-Dimethyl- <SEP> Menge <SEP> der
<tb> formamid <SEP> innenliefernde <SEP> innenliefernden <SEP> Substanz <SEP> spez. <SEP> Widerstand
<tb> in <SEP> % <SEP> Substanz <SEP> in <SEP> % <SEP> Ohm/cm <SEP> bei <SEP> 250 <SEP> C
<tb> <B>98,6</B> <SEP> Magnesiumacetat <SEP> 1,4 <SEP> 22000
<tb> 94,0 <SEP> Magnesiumacetat <SEP> 6,0 <SEP> <B>6500</B>
<tb> 99,0 <SEP> Borsäure <SEP> 1,0 <SEP> <B>35000</B>
<tb> 99,0 <SEP> Lithiumchlorid <SEP> 1,0 <SEP> 450 Nachstehend sind weitere Beispiele von löslichen und für die Erfindung verwendbaren ionogenen Sub stanzen angeführt:
Ammoniumbromid, Calcium- chlorid, Calciumnitrat, Kaliumacetat, Natriumacetat, Natriumnitrat, Kaliumnitrat, Magnesiumchlorid, Na- triumbichromat, saures Nätriumphosphat, Bernstein säure und Oxalsäure.
Es können auch andere anorganische und orga nische Salze verwendet werden; vorausgesetzt, dass sie nicht kathodisch zu einem Metall oder anderem Material an der Kathode reduziert oder an der Anode zu einer unpassenden Verbindung oxydiert werden können.
Der vorliegende N,N-Dimethylformamid-Elek- trolyt ist genügend beständig und widerstandsfähig geggen Hitze, Licht und chemische Veränderungen; er besitzt gegenüber üblichen Elektrolyten einen nied rigeren Gefrierpunkt, wirkt auf die gewöhnlich als Kondensatorgehäuse verwendeten Metalle nicht korrodierend und besitzt praktisch keine Lösungs fähigkeit für die auf den Kondensatorelektroden üblicherweise gebildeten Oxydfilme. Es wurde auch festgestellt,
d-ass der erfindungsgemässe Elektrolyt die Bildungsgeschwindigkeit kristalliner Oxyde in den dielektrischen Filmen verzögern kann. Auf diese Weise kann die Schweissverbindung zwischen Folie und Draht, welche gewöhnlich den schwachen Teil des Kondensators darstellt, geschützt werden. Der erfindungsgemässe Elektrolyt besitzt meistens einen höheren spezifischen Widerstand bei 25 C als übliche Elektrolyte und zeigt bei 300 Volt Gleich spannung kein Scintillieren. Der N,N-Dimethylform- amid-Elektrolyt zeigt z.
B. sehr geringe Veränderun gen der Viskosität innerhalb stark schwankender Temperaturbereiche, welche Eigenschaft wiederum minimale spezifische Widerstandsänderungen und minimale Kapazitätsänderungen zur Folge haben kann.
Da es sich beim erfindungsgemässen Elektrolyten um einen nichtwässerigen handelt, kann er einen niedrigeren Dampfdruck als wässerige Elektrolyte haben, so dass das Problem des Abdichtens des Kon- densators weniger schwer zu lösen ist. Dazu kommt, dass mit dem neuen Elektrolyt die Schwierigkeiten vermieden werden können, welche bei Verwendung bekannter Elektrolyte auf der Basis von Lösungs- mittelgemischen angetroffen wurden.
Diese bestehen darin, dass eines der Lösungsmittel rascher verdampft als das andere und auf diese Weise die chemische Zusammensetzung, die Viskosität, der spezifische Widerstand und der Gefrierpunkt des Elektrolyten verändert wird; dadurch kann es zu starken Kapazi tätsschwankungen kommen. Bei einem erfindungs gemässen Elektrolyt, welcher beispielsweise fast 100% NN-Dimethylformamid enthält, kann bis zu 5019/o des Elektrolyten verlorengehen (z.
B. infolge undichten Abschlusses), ohne dass eine merkliche Veränderung der elektrischen Eigenschaften auf treten oder die Betriebsfähigkeit des Kondensators leiden würde.
Weil die erfindungsgemässen, N,N-Dimethylform- amid enthaltenden Kondensatoren im allgemeinen für höhere Spannungen geeignet sind als die früher verwendeten Elektrolytkondensatoren, machen sie die Verwendung von parallel geschalteten einheit lichen Einheiten möglich, anstelle von in Reihe ge schalteten Niedrigspannungseinheiten, welche bisher oft zur Erzielung hoher Spannungsfestigkeit verwen det wurden. Man kann deshalb kleinere Einheiten verwenden; die Herstellung wird dadurch vereinfacht, das Risiko von Versagern herabgesetzt und eine be deutende Material- und Zeitersparnis erreicht.