DE102004052086A1

DE102004052086A1 - Kondensatoren hoher Energiedichte

Info

Publication number: DE102004052086A1
Application number: DE102004052086A
Authority: DE
Inventors: Florian Dr. Thomas; Patrick Dr. Deck; Klaus Dr. Kühling; Hans-Josef Dr. Sterzel; Daniel Fischer
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-04-27
Also published as: CN101048833A; KR20070084572A; TW200629310A; RU2007119437A; CA2584335A1; EP1807848A1; WO2006045520A1; US20090135545A1; JP2008518447A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Kondensator mit einem porösen, elektrisch leitfähigen Träger, auf dessen innerer und äußerer Oberfläche eine erste Schicht eines Dielektrikums und eine zweite elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher Kondensatoren und deren Verwendung in elektrischen und elektronischen Schaltungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kondensatoren, die einen porösen, elektrisch leitfähigen Träger als erste Elektrode aufweisen.
Die Speicherung von Energie in verschiedensten Anwendungen ist Gegenstand andauernder Entwicklungsarbeiten. Insbesondere Module zur kurzzeitigen Speicherung von Energie, bei der aufgrund kurzer Lade- und Entladezeiten sehr hohe Ströme und damit hohe Leistungen entstehen, sind auf der Basis von Batterien nur schwer realisierbar. Derartige Module könnten z. B. in unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Puffersystemen für Windkraftanlagen und in Automobilen mit Hybrid-Antrieb Anwendung finden.
Kondensatoren sind von ihrem Prinzip her in der Lage, mit sehr großen Strömen geladen und entladen zu werden. Allerdings sind bislang Kondensatoren, welche eine zu Li-Ionen Batterien vergleichbare Energiedichte von etwa 250 Wh/l besitzen, nicht bekannt.
Nach den Kondensator-Formeln E = ½ C·U2 und C = ε·ε0·A/d,wobei:

E: = Energie
C: = Kapazität
U: = Spannung
ε: = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums
ε₀: = Dielektrizitätskonstante des Vakuums
A: = Elektrodenfläche
d: = Elektrodenabstand

Sogenannte Ultracaps (Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren) besitzen sehr hohe Kapazitäten durch die Verwendung extrem großer Elektrodenoberflächen bis zu 2.500 m²/g und sehr kleiner Elektrodenabstände, tolerieren aber aufgrund der enthaltenen organischen Elektrolyte nur geringe Spannungen von etwa 2 V und Temperaturen. Die mangelnde Hitzebeständigkeit behindert insbesondere ihren Einsatz in Automobilen, da sie nicht im Motorraum eingesetzt werden können.
Tantal-Kondensatoren bestehen aus einem Grundkörper aus gesintertem Tantal-Pulver. Sie besitzen daher ebenfalls recht große Elektrodenoberflächen, sind aber aufgrund ihrer elektrochemischen Herstellung auf Tantalpentoxid als Dielektrikum mit nur geringer Dielektrizitätskonstante (ε = 27) und auf kleine Abmessungen festgelegt. Dies vereitelt ihre Anwendung in der Energiespeicherung.
Keramische Vielschicht-Kondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) tolerieren aufgrund der Verwendung eines keramischen Dielektrikums hohe Spannungen und Umgebungstemperaturen. Weiterhin sind keramische Dielektrika mit hohen Dielektrizitätskonstanten (> 10000) verfügbar. Allerdings bedingt die Forderung nach großen Elektrodenoberflächen eine große Anzahl von Schichten (> 500). Daher ist die Herstellung derartiger Kondensatoren aufwändig und mit abnehmender Dicke der Schichten häufig fehlerbehaftet. Es lassen sich ebenfalls keine Kondensatoren mit größeren Abmessungen (d.h. Volumina im Bereich von mehr als 1 cm³) herstellen, da dies bei der Fertigung des Schichtaufbaus zu Spannungsrissen und damit zum Ausfall des Bauteils führen würde.
Beispiele für spezifische Energiedichten:

Ultracap: Maxwell BCAP0010 (2600F, 2,5V, 490 cm³): 4,6 Wh/l
Tantal: Epcos B45196H (680 μF, 10 V, 130 mm³): 0,073 Wh/l
MLCC: Murata GRM55DR73A104KW01 L (0,1 μF, 1000 V, 57 mm³): 0,25 Wh/l

In DE-A-0221498 ist ein keramischer Kondensator mit hoher Energiedichte beschrieben, der aus einem inerten porösen Träger besteht, auf den eine erste elektrisch leitende Schicht, eine zweite Schicht aus Bariumtitanat und eine weitere elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind. Dazu wird zunächst ein inerter poröser Träger aus einem Material, wie z. B. Aluminiumoxid, durch Aufdampfen oder electroless plating mit einer Metallisierung beschichtet. In einem zweiten Schritt wird durch Infiltration mit einer Bariumtitanat-Nanodispersion und anschließendes Sintern bei 900-1100°C das Dielektrikum erzeugt.
Ein derartiges Verfahren kann wegen der aufwändigen Herstellung und der geringen thermischen Beständigkeit der Metallisierung problematisch sein. Die Herstellung des Dielektrikums erfordert Temperaturen von 900-1100°C. Bei diesen Temperaturen besitzen viele Metalle bereits eine sehr große Beweglichkeit, welche zusammen mit der großen Oberflächenspannung der Metalle ein Zusammenziehen der Metallisierungsschicht unter Bildung feiner Tröpfchen bewirken kann. Dies wird insbesondere bei einer Metallisierung mit Silber oder Kupfer beobachtet. Darüber hinaus kann es im zweiten Schritt bei der Infiltration mit der Bariumtitanat-Nanodispersion zu einer ungleichmäßigen Beschichtung oder Verstopfung der Poren kommen, wenn die Dispersion größere Partikel oder Agglomerate enthält. Bei einer ungleichmäßigen Beschich tung kann nicht die vollständige innere Oberfläche des porösen Trägers genutzt werden, wodurch sich die nutzbare Kapazität des Kondensators verringert und die Gefahr von Kurzschlüssen stark ansteigt.
Aufgabe der Erfindung war daher die Entwicklung eines Kondensators mit hoher Energiedichte sowie hoher thermischer, mechanischer und elektrischer Belastbarkeit, um einen Einsatz in den oben genannten Anwendungen zu ermöglichen. Die beschriebenen Probleme bei der Herstellung sollten dabei vermieden werden.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass im Kondensator ein poröser, elektrisch leitfähiger Träger, auf dessen möglichst vollständiger innerer und äußerer Oberfläche ein Dielektrikum und eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind, enthalten ist.
Es wurde gefunden, dass sich auch poröse Träger aus elektrisch leitfähigen Materialien direkt als Träger eignen. Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Trägermaterialien bietet den Vorteil, dass durch die bereits vorhandene elektrisch Leitfähigkeit des Trägers keine zusätzliche Beschichtung des Trägers mit einer Metallisierung notwendig wird.
Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein Kondensator, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen porösen, elektrisch leitfähigen Träger, auf dessen innerer und äußerer Oberfläche eine erste Schicht eines Dielektrikums, welches nicht Tantaloxid oder Nioboxid ist, und eine zweite elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind, enthält.
Gegenstände der Erfindung sind weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher Kondensatoren und deren Verwendung in elektrischen und elektronischen Schaltungen.
Geeignete Träger weisen vorzugsweise eine spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche) von 0,01 bis 10 m²/g, besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 m²/g, auf.
Solche Träger lassen sich beispielsweise aus Pulvern mit spezifischen Oberflächen (BET-Oberfläche) von 0,01 bis 10 m²/g durch Pressen oder Heißpressen bei Drücken von 1 bis 100 kbar und/oder Sintern bei Temperaturen von 500 bis 1600°C, bevorzugt 700 bis 1300°C, herstellen. Das Pressen oder Sintern erfolgt vorteilhafterweise unter einer Atmosphäre aus Luft, Intertgas (z.B. Argon oder Stickstoff) oder Wasserstoff oder Mischungen davon bei einem Atmosphärendruck von 0,001 bis 10 bar.
Der verwendete Druck für das Pressen und/oder die verwendete Temperatur für die thermische Behandlung hängen von den eingesetzten Materialien und der gewünschten Materialdichte ab. Gewünscht wird vorteilhafterweise eine Dichte von 30 bis 70 % des theoretischen Wertes, um eine ausreichende mechanische Stabilität des Kondensators für den gewünschten Anwendungszweck und gleichzeitig einen ausreichenden Porenanteil für die anschließende Beschichtung mit dem Dielektrikum zu gewährleisten.
Es können Pulver aller Metalle oder Legierungen von Metallen verwendet werden, die einen ausreichend hohen Schmelzpunkt von mindestens 900°C, bevorzugt größer als 1200°C, aufweisen und bei der weiteren Verarbeitung keine Reaktionen mit dem keramischen Dielektrikum eingehen.
Vorteilhafterweise enthalten die Träger mindestens ein Metall, vorzugsweise Ni, Cu, Pd, Ag, Cr, Mo, W, Mn oder Co und/oder mindestens eine Metalllegierung auf deren Basis.
Vorteilhafterweise besteht der Träger vollständig aus elektrisch leitfähigen Materialien.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante besteht der Träger aus mindestens einem pulverförmigen nichtmetallischen Material, das von mindestens einem Metall oder mindestens einer Metalllegierung, wie weiter oben beschrieben, umhüllt ist. Bevorzugt ist das nichtmetallische Material derart umhüllt, dass keine Reaktionen zwischen dem nichtmetallischen Material und dem Dielektrikum stattfinden, die zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des Kondensators führen.
Solche nichtmetallischen Materialien können beispielsweise Al₂O₃ oder Graphit sein. Es eignen sich aber auch SiO₂, TiO₂, ZrO₂, SiC, Si₃N₄ oder BN. Es sind alle Materialien geeignet, die durch ihre thermische Beständigkeit eine weitere Verringerung des Porenanteils durch Sinterung des metallischen Materials bei der thermischen Behandlung des Dielektrikums verhindern.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Träger können die verschiedensten Geometrien, beispielsweise Quader, Platten oder Zylinder, aufweisen. Derartige Träger können in verschiedenen Abmessungen, vorteilhafterweise von wenigen mm bis mehreren dm, hergestellt und somit dem jeweiligen Anwendungsfall perfekt angepasst werden. Insbesondere können die Abmessungen auf die benötigte Kapazität des Kondensators abgestimmt werden. So können beispielsweise für Anwendungen zur Energiespeicherung in Windkraftanlagen oder Hybridfahrzeugen Kondensatoren mit hoher Kapazität und großen Abmessungen im Bereich von 5 cm bis 5 dm eingesetzt werden, während Anwendungen in der Mikroelektronik kleine Kondensatoren von geringerer Kapazität mit Abmessungen im Bereich von 1 mm bis 5 cm erfordern.
Die Träger werden mit einem Kontakt verbunden. Vorteilhafterweise kann die Kontaktierung durch Einbringen eines elektrisch leitfähigen Drahtes oder Bandes direkt bei der weiter oben beschriebenen Herstellung des Trägers erfolgen. Alternativ kann die Kontaktierung auch durch Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung eines elek trisch leitfähigen Drahtes oder Bandes mit einer Fläche des Trägers beispielsweise durch Löten oder Schweißen vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten porösen elektrisch leitfähigen Träger dienen als erste Elektrode und gleichzeitig als Träger des Dielektrikums.
Es können alle üblicherweise als Dielektrika einsetzbaren Materialien Verwendung finden. Erfindungsgemäß ausgenommen sind Tantaloxid und Nioboxid.
Das verwendete Dielektrikum sollte eine Dielektrizitätskonstante von größer als 100, vorzugsweise von größer als 500, aufweisen.
Vorteilhafterweise enthält das Dielektrikum oxidische Keramiken, vorzugsweise des Perowskit-Typs, mit einer Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel A_xB_yO₃ gekennzeichnet werden kann. Dabei bedeuten A und B ein- bis sechswertige Kationen oder Mischungen davon, bevorzugt Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Zn, Pb oder Bi, sowie x eine Zahl von 0,9 bis 1,1 und y eine Zahl von 0,9 bis 1,1. A und B unterscheiden sich dabei voneinander.
Besonders bevorzugt eingesetzt wird BaTiO₃. Weitere Beispiele für geeignete Dielektrika sind SrTiO₃, (Ba_1-xSr_x)TiO₃ und Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, wobei x eine Zahl zwischen 0,01 und 0,99 bedeutet.
Zusätzlich kann das Dielektrikum zur Verbesserung spezifischer Eigenschaften, wie Dielektrizitätskonstante, spezifischem Widerstand, Durchschlagsfestigkeit oder Alterungsbeständigkeit, Dotierelemente in Form ihrer Oxide in Konzentrationen zwischen vorzugsweise 0,01 und 10 Atom-%, bevorzugt 0,05 bis 2 Atom-%, enthalten. Geeignete Dotierelemente sind z. B. Elemente der 2. Hauptgruppe, insbesondere Mg und Ca, und der 4. und 5. Periode der Nebengruppen, zum Beispiel Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag und Zn, des Periodensystems sowie der Lanthanoiden, wie La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu.
Das Dielektrikum kann aus Lösungen auf den Trägern abgeschieden werden (sogenantes Sol-Gel-Verfahren). Besonders vorteilhaft gegenüber der Verwendung einer Dispersion ist das Vorliegen einer homogenen Lösung, so dass es selbst bei größeren Trägern nicht zu einer Verstopfung von Poren und zu einer ungleichmäßigen Beschichtung kommen kann. Die porösen Träger werden dazu mit Lösungen infiltriert, die durch Lösen der entsprechenden Elemente oder ihrer Salze in Lösungsmitteln hergestellt werden können.
Als Salze können vorzugsweise Oxide, Hydroxide, Carbonate, Halogenide, Acetylacetonate oder Derivate hiervon, Salze von organischen Säuren der allgemeinen Formel M(R-COO)_x mit R = H, Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl oder 2-Ethylhexyl und x = 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, Salze von Alkoholen der allgemeinen Formel M(R-O)_x mit R = Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, sek-Butyl, Isobutyl, tert-Butyl, 2-Ethylhexyl, 2-Hydroxyethyl, 2-Methoxyethyl, 2-Ethoxyethyl, 2-Butoxyethyl, 2-Hydroxypropyl oder 2-Methoxypropyl und x = 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 der oben beschriebenen Elemente (hier als M bezeichnet) oder Mischungen dieser Salze verwendet werden.
Als Lösungsmittel können vorzugsweise Wasser, Carbonsäuren der allgemeinen Formel R-COOH mit R = H, Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl oder 2-Ethylhexyl, Alkohole der allgemeinen Formel R-OH mit R = Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, sek-Butyl, Isobutyl, tert-Butyl oder 2-Ethylhexyl, Glykolderivate der allgemeinen Formel R¹-O-(C₂H₄-O)_x-R² mit R¹ und R² = H, Methyl, Ethyl oder Butyl und x = 1, 2, 3 oder 4, 1,3-Dicarbonylverbindungen wie beispielsweise Acetylaceton oder Acetessigester, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Pentan, Hexan, Heptan, Benzol, Toluol oder Xylol, Ether wie Diethylether, Dibutylether oder Tetrahydrofuran oder Mischungen dieser Lösungsmittel eingesetzt werden.
Die Infiltration der Träger kann beispielsweise bei Verwendung von Lösungen geringer Viskosität durch Eintauchen der Träger in die Lösung, oder bei Verwendung von Lösungen höherer Viskosität durch Druckimprägnierung oder durch Durchströmen der Träger erfolgen. Weiterhin kann die Lösung durch Aufsprühen aufgebracht werden. Dabei sollte eine vollständige Benetzung der inneren und äußeren Oberfläche der Träger gewährleistet sein.
Die Lösung wird anschließend im Ofen bei einer Temperatur von 500 bis 1500°C, bevorzugt 700 bis 1200°C, zur entsprechenden Keramik calciniert und zu einem Film gesintert. Als Atmosphäre können dabei Inertgase (beispielsweise Argon, Stickstoff), Wasserstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf oder Mischungen dieser Gase bei einem Atmosphärendruck von 0,001 bis 10 bar zum Einsatz kommen. Auf diese Weise werden dünnen Filme von vorzugsweise 10 bis 1000 nm, besonders bevorzugt 50 bis 500 nm, Dicke auf der gesamten inneren und äußeren Oberfläche der porösen Träger erhalten. Dabei sollte möglichst die vollständige innere und äußere Oberfläche einbezogen sein, um eine maximale Kapazität des Kondensators zu gewährleisten.
Die Filmdicke des aufgebrachten Dielektrikums ist durch die Konzentration der Beschichtungslösung oder durch ein Wiederholen der Beschichtung einstellbar. Bei einer mehrfachen Beschichtung ist es erfahrungsgemäß ausreichend, nach jedem Beschichtungsschritt bei einer Temperatur von 200 bis 600°C, vorteilhafterweise bei Temperaturen um 400°C, zu calcinieren und erst die abschließende Sinterung bei höheren Temperaturen von 500 bis 1500°C, vorzugsweise 700 bis 1200°C, durchzuführen. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums kann es notwendig sein, nach der Sinterung eine weitere Temperaturbehandlung bei einer Temperatur zwischen 200 und 600°C unter einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 0,01 % bis 25 % durchzuführen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante wird das Dielektrikum mittels einer Technik, die als Templat-unterstützte Benetzung („template-assisted wetting") in der Literatur beschrieben ist (siehe z. B. Y. Luo, I. Szafraniak, V. Nagarjan, R. B. Wehrspohn, M. Steinhart, J. H. Wendorff, N. D. Zakharov, R. Ramesh, M. Alexe, Applied Physics Letters 2003, 83, 440), auf den Träger aufgebracht. Dazu wird der Träger mit einer Lösung eines polymeren Vorläufers für das Dielektrikum in Kontakt gebracht, wodurch sich ein Film der Lösung auf der vollständigen inneren und äußeren Oberfläche des Trägers bildet. Die Lösung wird anschließend analog zum weiter oben beschriebenen Verfahren durch thermische Behandlung in das keramische Dielektrikum umgewandelt.
Auf das Dielektrikum wird erfindungsgemäß eine zweite elektrisch leitende Schicht als Gegenelektrode aufgebracht. Dies kann dem Stand der Technik entsprechend jedes üblicherweise für diese Zwecke verwendete elektrisch leitende Material sein. Beispielsweise eingesetzt werden Mangandioxid oder elektrisch leitfähige Polymere wie Polythiophene, Polypyrrole, Polyaniline oder Derivate dieser Polymere. Eine bessere elektrische Leitfähigkeit und damit geringeren Innenwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) der Kondensatoren erzielt man durch Aufbringen von Metallschichten als Gegenelektrode, zum Beispiel von Kupfer nach der noch unveröffentlichten DE-Patentanmeldung 10325243.6.
Die Kontaktierung der Gegenelektrode von außen kann ebenfalls dem Stand der Technik entsprechend durch jede üblicherweise für diese Zwecke eingesetzte Technik erfolgen. Beispielsweise kann die Kontaktierung durch Graphitisieren, Aufbringen von Leitsilber und/oder Löten erfolgen. Der kontaktierte Kondensator kann anschließend zum Schutz vor äußeren Einflüssen verkapselt werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Kondensatoren weisen einen porösen elektrisch leitfähigen Träger, auf dessen nahezu vollständiger innerer und äußerer Oberfläche eine Schicht eines Dielektrikums und eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind. Das Schema eines solchen Kondensators ist in Zeichnung 1 beispielhaft dargestellt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Kondensatoren zeigen eine hohe Energiedichte bei hoher thermischer, mechanischer und elektrischer Belastbarkeit und sind damit für die Speicherung von Energie in verschiedensten Anwendungen geeignet, insbesondere in solchen, die eine hohe Energiedichte erfordern. Ihre Herstellungsverfahren erlauben im Vergleich zu den herkömmlichen Tantal-Kondensatoren oder keramischen Multilayer-Kondensatoren die einfache und ökonomische Herstellung von Kondensatoren mit deutlich größeren Abmessungen und entsprechend hoher Kapazität.
Solche Kondensatoren können beispielsweise als Glätt- oder Speicherkondensator in der elektrischen Energietechnik, als Koppel-, Sieb- oder Kleinspeicherkondensator in der Mikroelektronik, als Ersatz für Sekundärbatterien, als Hauptenergiespeichereinheiten für mobile elektrische Geräte, z. B. Elektrowerkzeuge, Telekommunikationsanwendungen, tragbare Computer, medizinische Geräte, für unterbrechungsfreie Spannungsversorgungen, für elektrische Fahrzeuge, als Komplementär-Energiespeicherungseinheiten für elektrische Fahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge („rekuperatives Bremsen"), für elektrische Aufzüge, als Puffer-Energiespeicherungseinheiten zur Abdeckung von Leistungsschwankungen für Wind-, Solar-, Solarthermie- oder andere Kraftwerke Einsatz finden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne jedoch hierdurch eine entsprechende Eingrenzung vorzunehmen.
Beispiele
Beispiel 1:
In einen zylinderförmigen Quarzglastiegel wurden ein Nickel-Draht und Nickel-Pulver (Korngröße D50 = 6,6 μm) eingefüllt und mechanisch gleichmäßig verdichtet. Anschließend wurde 3 h bei 800°C unter Wasserstoff-Atmosphäre gesintert. Man erhielt einen festen Träger mit einem Porenvolumenanteil von ca. 40 % und einer BET-Oberfläche von 0,1 m²/g.
Beispiel 2:
50,0 g einer 60 %igen (w/w) Lösung von Barium-bis-2-methoxyethoxid in Methoxyethanol wurden mit 36,4 g Titan-tetrakis-2-methoxyethoxid 30 min bei Raumtemperatur gerührt und anschließend 28 g einer 25 %igen Lösung (w/w) von Wasser in Methoxyethanol zugetropft. Man erhielt eine Lösung mit einem Gehalt von 20 % (w/w ber. BaTiO₃). Die Konzentration der Lösung konnte durch Abdampfen von Methoxyethanol auf 40 % (w/w ber. BaTiO₃) erhöht werden.
Beispiel 3:
51,0 g Bariumacetat wurden in 70 g siedendem Eisessig gelöst. Anschließend wurden bei 70°C 68,0 g Titan-tetra-n-butylat zugegeben. Man erhielt eine Lösung mit einem Gehalt von 25 % (w/w ber. BaTiO₃).
Beispiel 4:
Zu 40,0 g einer 60 %igen (w/w) Lösung von Barium-bis-2-methoxyethoxid in Methoxyethanol wurde eine Lösung von 48,0 g Titan-tetrakis-2-ethylhexanolat in 50 g Methoxyethanol gegeben. Es wurde 12 h gerührt und anschließend Methoxyethanol unter ver mindertem Druck entfernt. Man erhielt eine Lösung mit einem Gehalt von 22 (w/w ber. BaTiO₃).
Beispiel 5:
Ein Träger nach Beispiel 1 wurde in eine Lösung nach Beispiel 2 eingetaucht. Nach wenigen Minuten war keine Blasenbildung mehr erkennbar. Zur Erleichterung des vollständigen Imprägnierens kann dabei ein Vakuum angelegt werden. Der vollständig mit Lösung gefüllte Träger wurde aus der Lösung entnommen und außen anhaftende Lösung abgetropft.
Beispiel 6:
Ein Träger nach Beispiel 1 wurde mittels einer Dichtung in eine Haltevorrichtung eingesetzt und bei einem Druck von 4 bar so lange mit einer Lösung nach Beispiel 3 oder 4 durchspült, bis keine Blasenbildung mehr erkennbar war. Der vollständig mit Lösung gefüllte Träger wurde aus der Haltevorrichtung entnommen und außen anhaftende Lösung abgetropft.
Beispiel 7:
Ein imprägnierter Träger nach Beispiel 5 oder 6 wurde in einem Ofen 3 h bei einer Temperatur von 400°C unter einer mit Wasserdampf gesättigten Inertgas-Atmosphäre behandelt, um die Lösung zu einer keramischen Beschichtung zu calcinieren. Die Abfolge Imprägnieren/Calcinieren wurde fünfmal durchgeführt, anschließend wurde die keramische Beschichtung 6 h bei 800°C unter einer Inertgas-Atmosphäre mit 1 ppm Sauerstoffgehalt gesintert.
Beispiel 8:
Ein keramikbeschichteter Träger nach Beispiel 7 wurde solange in eine gesättigte Lösung von Mangan(II)-nitrat in Wasser eingetaucht, bis keine Blasenbildung mehr erkennbar war. Der vollständig mit Lösung gefüllte Träger wurde aus der Lösung entnommen und außen anhaftende Lösung abgetropft. Anschließend wurde der imprägnierte Träger in einem Ofen 3 h bei einer Temperatur von 300°C an Luft behandelt, um die Lösung zu einer elektrisch leitfähigen Schicht aus Mangandioxid zu calcinieren. Die Abfolge Imprägnieren/Calcinieren wurde so oft durchgeführt, bis eine Gewichtskonstanz erreicht war und alle Poren vollständig mit Mangandioxid gefüllt waren.
Beispiel 9:
Ein keramikbeschichteter Träger nach Beispiel 7 wurde mittels einer Dichtung in eine Haltevorrichtung eingesetzt und bei einem Druck von 4 bar solange mit einer Lösung von Kupfer(II)-formiat in einem 1 : 1-Gemisch aus Methoxyethylamin und Methoxypropylamin (Gehalt 10 % w/w ber. Cu) nach der noch unveröffentlichten DE-Patentanmeldung 10325243.6 durchspült, bis keine Blasenbildung mehr erkennbar war. Der vollständig mit Lösung gefüllte Träger wurde aus der Haltevorrichtung entnommen und außen anhaftende Lösung abgetropft. Anschließend wurde der imprägnierte Träger in einem Ofen 2 h bei einer Temperatur von 220°C unter einer Inertgas-Atmosphäre (Ar oder N₂) behandelt, um eine Kupfer-Beschichtung zu erzeugen. Die Abfolge Imprägnieren/Temperaturbehandlung wurde mehrfach durchgeführt, um eine vollständige Beschichtung mit einem elektrisch leitfähigen Film zu erreichen.

Claims

Kondensator, dadurch gekennzeichnet, dass er einen porösen, elektrisch leitfähigen Träger, auf dessen innerer und äußerer Oberfläche eine erste Schicht eines Dielektrikums, welches nicht Tantaloxid oder Nioboxid ist, und eine zweite elektrisch leitende Schicht aufgebracht sind, enthält.
Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine spezifische Oberfläche von 0,01 bis 10 m²/g aufweist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mindestens ein Metall oder mindestens eine Metalllegierung enthält, die einen Schmelzpunkt von mindestens 900°C aufweisen.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Ni, Cu, Pd, Ag, Cr, Mo, W, Mn oder Co und/oder mindestens eine Metalllegierung auf deren Basis enthält.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus elektrisch leitfähigen Materialien besteht.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus mindestens einem pulverförmigen nichtmetallischen Material, das von mindestens einem Metall oder mindestens einer Metalllegierung umhüllt ist, besteht.
Kondensator nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Material Al₂O₃ oder Graphit ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante von größer als 100 aufweist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum eine oxidische Keramik des Perowskit-Typs mit der Zusammensetzung A_xB_yO₃ enthält, wobei A und B ein- bis sechswertige Kationen oder Mischungen davon, sowie x eine Zahl von 0,9 bis 1,1 und y eine Zahl von 0,9 bis 1,1 bedeuten.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum BaTiO₃ enthält.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein oder mehrere Dotierelemente in Form ihrer Oxide in Konzentrationen zwischen 0,01 und 10 Atom-% enthält.
Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen mit einem Kontakt versehenen porösen, elektrisch leitfähigen Träger auf dessen innerer und äußerer Oberfläche eine erste Schicht aus einem Dielektrikum, welches nicht Tantaloxid oder Nioboxid ist, und eine zweite mit einem Kontakt versehene Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Träger aus Pulvern mit spezifischen Oberflächen von 0,01 bis 10 m2/g durch Pressen oder Heißpressen bei Drücken von 1 bis 100 kbar und/oder Sintern bei Temperaturen von 500 bis 1500°C hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einer Lösung auf den porösen Trägern abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Träger mit einer Lösung, die die Vorläuferverbindungen des Dielektrikums in gelöster Form enthält, infiltriert und anschließend thermisch behandelt werden.
Verwendung der Kondensatoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in elektrischen und elektronischen Schaltungen.