DE10104714C1 - Betriebselektrolyt für einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, Kondensator mit dem Betriebselektrolyt und Verwendung des Kondensators - Google Patents
Betriebselektrolyt für einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, Kondensator mit dem Betriebselektrolyt und Verwendung des KondensatorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Betriebselektrolyten für einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, der Ethylenglykol, p-Nitrobenzoesäure, Ammoniumhypophosphit, Ammoniumpentaborat, Polyethylenglykol, MMA-10RA und Ammonium-Methylbenzoat umfaßt. Durch die Zugabe von Methylbenzoesäuren, die durch ihre Methylsubstitution sterisch die Folgereaktion der Säuregruppe mit Ethylenglykol blockieren, kann ein Betriebselektrolyt mit verbesserter Langzeitstabilität der elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden. Die Erfindung betrifft ferner einen Kondensator mit dem Betriebselektrolyten und die Verwendung des Kondensators.
Description
Die Erfindung betrifft einen Betriebselektrolyten für einen
Aluminium-Elektrolyt-Kondensator, der Ethylenglykol, p-
Nitrobenzoesäure, Ammoniumhypophosphit, Ammoniumpentaborat,
Polyethylenglykol und MMA-10RA enthält. Ferner betrifft die
Erfindung einen Kondensator mit dem Betriebselektrolyten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des Kon
densators.
Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren sind aufgebaut als
Schichtstapel aus einer Kathodenfolie, die beispielsweise ei
ne dünne, aufgerauhte Al-Folie mit einer Dicke zwischen 20
und 50 µm sein kann, und einer Anodenfolie, die beispielswei
se eine ca. 100 µm dicke, aufgerauhte Al-Folie sein kann und
die eine dielektrisch wirksame Oxidschicht aufweist, die
durch elektrochemische Verfähren direkt auf der Folie aufge
bracht ist. Auch die Kathodenfolie weist eine dünne, ca. 1,5-
3 nm dicke Oxidschicht auf. Der Schichtstapel liegt üblicher
weise in Form eines auf einen Dorn gewickelten Wickels vor,
der in einen Aluminiumbecher eingebaut ist.
Zwischen den Folien befindet sich eine ein- oder mehrlagige
Papierschicht, die mit dem Betriebselektrolyten imprägniert
wird. Dieser Betriebselektrolyt stellt die eigentliche Katho
de dar.
Es sind Betriebselektrolyten der eingangs genannten Art be
kannt, die zusätzlich Ammoniumbenzoat enthalten. In der Pa
tentschrift DE 693 04 732 T2 ist ein Elektrolyt offenbart,
der Benzoesäure oder deren Ammoniumsalze und weitere alipha
tische Di- oder Tricarbonsäuren zusammen mit Lösungsmitteln,
die Ethylenglykol und andere Alkohole umfassen, enthält.
Diese Betriebselektrolyten haben den Nachteil, daß sie auf
grund der bei gleichzeitiger Anwesenheit von Ammoniak, Säure
und Alkohol stattfindenden Veresterungsreaktion eine Leitfä
higkeit aufweisen, die nicht langzeitstabil ist. Insbesondere
bei Lagerung
des Betriebselektrolyten bei 105°C sinkt die Leitfä
higkeit nach einer Lagerdauer von mehreren 100 Stunden signi
fikant ab.
Dadurch haben die den bekannten Betriebselektrolyten enthal
tenden Kondensatoren einen hohen Wirkwiderstand (Electrosta
tic Serial Resistance = ESR), was zu einer hohen Verlustwärme
während des Betriebs der Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren
führt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Betrieb
selektrolyten für Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren bereit
zustellen, der eine verbesserte Langzeitstabilität der elek
trischen Leitfähigkeit aufweist.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Betriebselektroly
ten nach Anspruch 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Er
findung, ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit dem erfin
dungsgemäßen Betriebselektrolyten sowie die Verwendung des
Aluminium-Elektrolyt-Kondensators sind den weiteren Ansprü
chen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt einen Betriebselektrolyten an mit:
- a) 40-85 Gew.-% Ethylenglykol
- b) 0,001-5,0 Gew.-% p-Nitrobenzoesäure
- c) 0,001-0,5 Gew.-% Ammoniumhypophosphit
- d) 1-10 Gew.-% Ammoniumpentaborat
- e) 1-10 Gew.-% Polyethylenglykol
- f) 10-50 Gew.-% einer Stoffmischung, die die Diammoniumsal ze von 2-Methyl-Nonandisäure, 2,4-Dimethyl-4-Methoxy- Carbonyl-Undecandisäure, 2,4,6-Trimethyl-4,6-Dimethoxy- Carbonyl-Tridecandisäure und 8,9-Dimethyl-8,9-Dimethoxy- Carbonyl-Hexadecandiesäure enthält
- g) 1-10 Gew.-% Ammonium-Methylbenzoat.
Neben diesen wesentlichen Bestandteilen kann der erfindungs
gemäße Betriebselektrolyt noch geringe Mengen weiterer Be
standteile enthalten, die die gewünschten Eigenschaften des
Elektrolyten nicht beeinträchtigen.
Der erfindungsgemäße Betriebselektrolyt hat den Vorteil, daß
durch die Methylsubstitution im Ammoniumbenzoat eine Methyl
gruppe vorliegt, die die Veresterungsreaktion, welche für die
Verschlechterung der Leitfähigkeit verantwortlich ist, ste
risch behindert. Dadurch weist der erfindungsgemäße Betrieb
selektrolyt eine verbesserte Langzeitstabilität der Leitfä
higkeit auf. Dies trifft insbesondere bei Lagerung des Be
triebselektrolyten bei einer maximalen Betriebstemperatur von
105°C zu.
Die unter f) genannte Stoffmischung wird dem Betriebselektro
lyten vorteilhaft in Form von MMA-10RA beigemengt. MMA-10RA
ist eine dem Fachmann bekannte Substanzklasse, die die unter
f) genannten Bestandteile enthält und z. B. in Form einer 20
%igen Lösung der Diammoniumsalze von MMA-10R in Ethylenglykol
erhältlich ist. Unter MMA-10R ist dabei eine Mischung mit
folgenden Bestandteilen zu verstehen:
- a) 40-51 Gewichtsprozent 2-Methyl-Nonandisäure
- b) 10-16 Gewichtsprozent 2,4-Dimethyl-4-Methoxy-Carbonyl- Undecandisäure
- c) 10-14 Gewichtsprozent 2,4,6-Trimethyl-4,6-Dimethoxy- Carbonyl-Tridecandisäure
- d) 19-26 Gewichtsprozent 8,9-Dimethyl-8,9-Dimethoxy- Carbonyl-Hexadecandiesäure
Desweiteren kann MMA-10RA 5-10 Gewichtsprozent an üblichen,
die gewünschten Eigenschaften vom MMA-10RA nicht beeinträch
tigenden Verunreinigungen enthalten.
Besonders vorteilhaft kann eine MMA-10R-Mischung eingesetzt
werden, die folgende Bestandteile enthält:
- a) 45,6 Gewichtsprozent 2-Methyl-Nonandisäure
- b) 13 Gewichtsprozent 2,4-Dimethyl-4-Methoxy-Carbonyl- Undecandisäure
- c) 12,1 Gewichtsprozent 2,4,6-Trimethyl-4,6-Dimethoxy- Carbonyl-Tridecandisäure
- d) 22,3 Gewichtsprozent 8,9-Dimethyl-8,9-Dimethoxy-Carbonyl- Hexadecandiesäure
Es ist darüber hinaus ein Betriebselektrolyt für Aluminium-
Elektrolyt-Kondensatoren besonders vorteilhaft, der folgende
Bestandteile umfaßt:
- a) 50-80 Gew.-% Ethylenglykol
- b) 0,2-0,7 Gew.-% p-Nitrobenzoesäure
- c) 0,001-0,2 Gew.-% Ammoniumhypophosphit
- d) 2-4,5 Gew.-% Ammoniumpentaborat
- e) 1-5 Gew.-% Polyethylenglykol
- f) 20-40 Gew.-% einer Stoffmischung, die die Diammoniumsalze von 2-Methyl-Nonandisäure, 2,4-Dimethyl-4- Methoxy-Carbonyl-Undecandisäure, 2,4,6-Trimethyl-4,6- Dimethoxy-Carbonyl-Tridecandisäure und 8,9-Dimethyl-8,9- Dimethoxy-Carbonyl-Hexadecandiesäure enthält
- g) 2-8 Gew.-% Ammonium-Methylbenzoat.
Neben diesen wesentlichen Bestandteilen kann der
erfindungsgemäße Betriebselektrolyt noch geringe Mengen
weiterer Bestandteile enthalten, die die gewünschten
Eigenschaften des Elektrolyten nicht beeinträchtigen.
Ferner ist ein Betriebselektrolyt besonders vorteilhaft, bei
dem der Anteil an Ammonium-Methylbenzoat Substanzen umfaßt,
die aus einer Substanzgruppe ausgewählt sind, welche
Ammonium-o-Methylbenzoat, Ammonium-m-Methylbenzoat und
Ammonium-p-Methylbenzoat umfaßt. Dabei kann der Anteil an
Ammonium-Methylbenzoat insbesondere auch Mischungen von
Mitgliedern der genannten Substanzgruppe umfassen.
Insbesondere hat sich Ammonium-o-Methylbenzoat als vorteil
hafter Bestandteil des Betriebselektrolyten erwiesen.
Ferner gibt die Erfindung einen Aluminium-Elektrolyt-
Kondensator an, bei dem der Elektrolyt der erfindungsgemäße
Betriebselektrolyt ist. Der Kondensator weist einen Schicht
stapel mit einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht auf.
Zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht ist eine
mit dem Elektrolyten getränkte Trennschicht angeordnet. Auf
ihren der Trennschicht zugewandten Seiten weisen die Anoden-
und die Kathodenschicht jeweils eine Oxidschicht auf. Die An
odenschicht und die Kathodenschicht bestehen aus Aluminium,
während die Oxidschichten aus Aluminiumoxid bestehen.
Der erfindungsgemäße Aluminium-Elektrolyt-Kondensator hat den
Vorteil, daß er aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen
Betriebselektrolyten eine höhere Langzeitstabilität der elek
trischen Leitfähigkeit insbesondere bei Einsatz des Kondensa
tors im Temperaturbereich zwischen -25°C und 105°C aufweist.
Ferner gibt die Erfindung die Verwendung des Betriebselektro
lyten in einem Aluminium-Elektrolyt-Kondensator für Spannun
gen zwischen 350 und 450 V an. Insbesondere ist der erfin
dungsgemäße Betriebselektrolyt für Kondensatoren mit einer
Betriebsspannung von 450 V geeignet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die elektrische Leitfähigkeit von beispielhaf
ten erfindungsgemäßen Elektrolyten im Vergleich mit einem be
kannten Elektrolyten, gemessen in Abhängigkeit von der Lager
dauer, in einer schematischen Darstellung.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Kondensatorwickel eines er
findungsgemäßen Aluminium-Elektrolyt-Kondensators im schema
tischen Querschnitt.
In der folgenden Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen von
drei erfindungsgemäßen Betriebselektrolyten (Beispiele B2 bis
B4) der Zusammensetzung eines bekannten Betriebselektrolyten
(Beispiel B1) gegenübergestellt. Darüber hinaus sind die Wer
te für die elektrische Leitfähigkeit und die Funkenspannung
der Betriebselektrolyten angegeben.
Die Tabelle zeigt, daß die erfindungsgemäßen Ausführungsbei
spiele des Betriebselektrolyten gegenüber dem bekannten Be
triebselektrolyten keine Nachteile hinsichtlich Leitfähigkeit
oder Funkenspannung aufweisen.
Demgegenüber weisen die erfindungsgemäßen Betriebselektrolyte
gemäß den Beispielen B2 bis B4 eine verbesserte Temperatur
stabilität der Leitfähigkeit bei Lagerung bei einer Tempera
tur von 105°C auf. Dies geht aus Fig. 1 hervor, wo die rela
tive Leitfähigkeit Lrel. in Abhängigkeit von der Lagerdauer t
bei Lagerung bei einer Temperatur von 105°C dargestellt ist.
Unter der relativen Leitfähigkeit Lrel. ist die Leitfähigkeit
des Betriebselektrolyten nach Lagerung für eine bestimmte
Dauer bezogen auf die Leitfähigkeit des Betriebselektrolyten
zu Beginn der Lagerung, bei t = 0, zu verstehen.
Aus Fig. 1 geht hervor, daß insbesondere der Betriebselek
trolyt gemäß Beispiel 2 eine wesentlich verbesserte Lang
zeitstabilität der Leitfähigkeit bei Lagerung bei 105°C auf
weist. Auch die anderen beiden erfindungsgemäßen Betriebse
lektrolyten gemäß B2 und B3 weisen nach Lagerung für eine
Dauer von 1000 Stunden eine bessere relative Leitfähigkeit
Lrel. auf als der bekannte Betriebselektrolyt gemäß B1.
Fig. 2 zeigt beispielhaft den Schichtstapel eines erfin
dungsgemäßen Aluminium-Elektrolyt-Kondensators im schemati
schen Querschnitt.
Der Kondensatorwickel eines erfindungsgemäßen Elektrolyt-
Kondensators gemäß Fig. 2 besteht aus einer Anodenschicht 1,
die an ihrer Oberseite eine Anoden-Oxidschicht 4 aufweist.
Die Anodenschicht 1 ist eine Aluminiumfolie von ca. 50-120 µm
Dicke. Die Anoden-Oxidschicht 4 besteht aus Aluminiumoxid und
weist eine Dicke zwischen 0,05 und 2 µm auf.
Über der Anoden-Oxidschicht 4 ist eine Trennschicht 3 ange
ordnet. Die Trennschicht 3 hat eine Dicke zwischen 30 und
200 µm und besteht vorzugsweise aus Papier. Über der Trenn
schicht 3 ist eine Kathodenschicht 2 angeordnet, die auf ih
rer der Trennschicht 3 zugewandten Seite eine Kathoden-
Oxidschicht 5 aufweist. Die Trennschicht 3 ist mit dem erfin
dungsgemäßen Betriebselektrolyten getränkt.
Die Kathodenschicht 2 besteht aus Aluminium und weist eine
Dicke zwischen 20 und 60 µm auf. Die Kathoden-Oxidschicht 5
besteht aus Aluminiumoxid und weist eine Dicke zwischen 1,5
und 3 nm auf. Die Anodenschicht 1 und die Kathodenschicht 2
sind jeweils mit einem Kondensatoranschluß 6 elektrisch lei
tend verbunden.
Der in der Fig. 2 gezeigte Kondensatorwickel liegt üblicher
weise in Form eines auf einen Dorn gewickelten Wickels vor,
der in einen Aluminiumbecher eingebaut ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft ge
zeigten Ausführungsformen, sondern wird in ihrer allgemein
sten Form durch Anspruch 1 und Anspruch 4 definiert.
Claims (5)
1. Betriebselektrolyt für einen Aluminium-Elektrolyt-
Kondensator mit:
- a) 40-85 Gew.-% Ethylenglykol
- b) 0,001-5,0 Gew.-% p-Nitrobenzoesäure
- c) 0,001-0,5 Gew.-% Ammoniumhypophosphit
- d) 1-10 Gew.-% Ammoniumpentaborat
- e) 1-10 Gew.-% Polyethylenglykol
- f) 10-50 Gew.-% einer Stoffmischung, die die Diammoni umsalze von 2-Methyl-Nonandisäure, 2,4-Dimethyl-4- Methoxy-Carbonyl-Undecandisäure, 2,4,6-Trimethyl-4,6- Dimethoxy-Carbonyl-Tridecandisäure und 8,9-Dimethyl-8,9- Dimethoxy-Carbonyl-Hexadecandiesäure enthält
- g) 1-10 Gew.-% Ammonium-Methylbenzoat.
2. Betriebselektrolyt nach Anspruch 1 mit:
- a) 50-80 Gew.-% Ethylenglykol
- b) 0,2-0,7 Gew.-% p-Nitrobenzoesäure
- c) 0,001-0,2 Gew.-% Ammoniumhypophosphit
- d) 2-4,5 Gew.-% Ammoniumpentaborat
- e) 1-5 Gew.-% Polyethylenglykol
- f) 20-40 Gew.-% einer Stoffmischung, die die Diammoni umsalze von 2-Methyl-Nonandisäure, 2,4-Dimethyl-4- Methoxy-Carbonyl-Undecandisäure, 2,4,6-Trimethyl-4,6- Dimethoxy-Carbonyl-Tridecandisäure und 8,9-Dimethyl-8,9- Dimethoxy-Carbonyl-Hexadecandiesäure enthält
- g) 2-8 Gew.-% Ammonium-Methylbenzoat.
3. Betriebselektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
bei dem der Anteil an Ammonium-Methylbenzoat Substanzen
umfaßt, die aus einer Substanzgruppe ausgewählt sind,
welche Ammonium-o-Methylbenzoat, Ammonium-m-Methylbenzoat
und Ammonium-p-Methylbenzoat umfaßt.
4. Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit einem Betriebselek
trolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen Kondensatorwickel
mit einer Anoden- (1) und einer Kathoden
schicht (2) sowie einer dazwischenliegenden, mit dem Be
triebselektrolyten getränkten Trennschicht (3) aufweist,
und bei dem die Anoden- (1) und die Kathodenschicht (2)
auf ihrer der Trennschicht (3) zugewandten Seite jeweils
eine Oxidschicht (4, 5) aufweisen.
5. Verwendung eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators nach
Anspruch 4 für Betriebsspannungen zwischen 350 und 450 V.
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