DE102009043507A1

DE102009043507A1 - Kathode zur Verwendung in einem Flüssigkeitskondensator

Info

Publication number: DE102009043507A1
Application number: DE102009043507A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dreissig; Bharat Rawal
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-06-10
Also published as: US8279585B2; GB0913582D0; JP2010141323A; US20100142124A1; GB2466095A; CN101752096A; KR20100066400A

Abstract

Eine Kathode, die ein Metallsubstrat enthält, das eine mikroaufgeraute Oberfläche besitzt, die durch Funkenanodisierung entstanden ist, wird bereitgestellt. Die Oberfläche wird gebildet, indem man das Substrat mit einer Elektrolytlösung in Kontakt bringt und eine Spannung anlegt, so dass eine dielektrische Suboxidschicht entsteht. Die Spannung wird auf ein ausreichend hohes Niveau angehoben, um an der Oberfläche des Substrats eine "Funkenbildung" einzuleiten, die vermutlich hohe lokale Oberflächentemperaturen erzeugt, welche ausreichend sind, um das Substrat wegzuätzen. Dies führt zur Bildung einer "mikroaufgerauten" Oberfläche mit einer Vielzahl von erhöhten Bereichen. Diese erhöhten Bereiche können die effektive Oberfläche erhöhen und somit die Bildung von Kondensatoren mit einer erhöhten Kathodenkapazität für eine gegebene Größe und/oder Kondensatoren mit einer reduzierten Größe für eine gegebene Kapazität ermöglichen. Die erhöhten Bereiche können auch eine ausgezeichnete Haftung an zusätzlichen elektrochemisch aktiven Materialien aufweisen und für eine erhöhte Stabilität in bestimmten flüssigen Elektrolyten sorgen.

Description

Flüssigkeitskondensatoren werden aufgrund ihrer volumetrischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Verfahrenskompatibilität zunehmend bei der Gestaltung von Schaltungen verwendet. Flüssigkeitskondensatoren haben typischerweise eine größere Kapazität pro Volumeneinheit als bestimmte andere Arten von Kondensatoren, wodurch sie wertvoll für elektrische Schaltungen mit hoher Stromstärke, hoher Leistung und niedriger Frequenz sind. Eine Art Flüssigkeitskondensator, der entwickelt wurde ist ein Flüssigelektrolytkondensator, der eine Ventilmetallanode, eine Kathode und einen flüssigen Elektrolyten umfasst. Die Einzelzellspannung bei dieser Art von Kondensator ist aufgrund der Bildung eines dielektrischen Metalloxidfilms über der Anodenoberfläche im Allgemeinen höher. Flüssigelektrolytkondensatoren bieten häufig eine gute Kombination von hoher Kapazität mit geringem Leckstrom. Eine andere Art von Flüssigkeitskondensator ist ein symmetrischer Flüssigkeitskondensator, bei dem die Anode und Kathode in Bezug auf Struktur und Zusammensetzung gleich sind. Die Einzelzellspannung bei dieser Art von Kondensator ist aufgrund der unvermeidlichen Zersetzung des Elektrolyten bei hoher Spannung im Allgemeinen niedrig. Unabhängig davon, ob es sich um Elektrolyt- oder symmetrische Flüssigkeitskondensatoren handelt, umfassen ihre Kathoden jedoch typischerweise ein Substrat und eine Beschichtung, die durch einen Faradayschen oder nicht-Faradayschen Mechanismus für eine hohe Kapazität sorgt. Zur Verstärkung der Haftung solcher Beschichtungen wird das Substrat zuweilen mechanisch und/oder chemisch geätzt. Unter bestimmten Bedingungen jedoch, wie in Gegenwart von wässrigen Elektrolyten, können sich die Beschichtungen dennoch leicht ablösen.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einer verbesserten Kathode zur Verwendung in Flüssigkeitskondensatoren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitskondensator offenbart, der eine Anode, eine Kathode und einen Arbeitselektrolyten, der sich zwischen der Anode und der Kathode befindet, umfasst. Die Kathode umfasst ein funkenanodisiertes Metallsubstrat, das mit einem elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist. Das Substrat hat eine mikroaufgeraute Oberfläche, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine elektrisch leitfähige Kathode offenbart, die eine funkenanodisierte Tantalfolie umfasst, die mit einem elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist. Die Folie hat eine mikroaufgeraute Oberfläche, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 200 bis etwa 2500 Nanometern hat. Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Kathode offenbart. Das Verfahren umfasst das Eintauchen eines Metallsubstrats in eine anodisierende Lösung und das Anlegen eines Stroms mit einer Spannung von etwa 90 bis etwa 275 Volt zur Zündung einer Funkenanodisierung und Bildung einer mikroaufgerauten Oberfläche, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält, auf dem Substrat.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des mikroaufgerauten Substrats der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Kondensators, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde;
3 eine SEM-Aufnahme (15 kV, 5000 ×) eines Querschnitts der in Beispiel 2 gebildeten Tantalelektrode;
4 eine SEM-Aufnahme (15 kV, 10000 ×) eines Querschnitts der in Beispiel 2 gebildeten Tantalelektrode, die in stärkerer Vergrößerung als in 3 gezeigt ist, um einen erhöhten Bereich der mikroaufgerauten Oberfläche besser zu veranschaulichen;
5 eine SEM-Aufnahme (15 kV, 60 ×) der Oberseite der in Beispiel 2 gebildeten Tantalelektrode; und
6 eine SEM-Aufnahme (20 kV, 2500 ×) der Oberseite der in Beispiel 2 gebildeten Tantalelektrode, die in stärkerer Vergrößerung als in 5 gezeigt ist, um die mikroaufgeraute Oberfläche besser zu veranschaulichen.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kathode, die ein Metallsubstrat enthält, das eine mikroaufgeraute Oberfläche besitzt, die durch Funkenanodisierung entstanden ist. Die Oberfläche wird gebildet, indem man das Substrat mit einer Elektrolytlösung in Kontakt bringt und eine Spannung anlegt, so dass eine dielektrische Suboxidschicht entsteht. Die Spannung wird auf ein ausreichend hohes Niveau angehoben, um an der Oberfläche des Substrats eine ”Funkenbildung” einzuleiten, die vermutlich hohe lokale Oberflächentemperaturen erzeugt, welche ausreichend sind, um das Substrat wegzuätzen. Dies führt zur Bildung einer ”mikroaufgerauten” Oberfläche mit einer Vielzahl von erhöhten Bereichen. Diese erhöhten Bereiche können die effektive Oberfläche erhöhen und somit die Bildung von Kondensatoren mit einer erhöhten Kathodenkapazität für eine gegebene Größe und/oder Kondensatoren mit einer reduzierten Größe für eine gegebene Kapazität ermöglichen. Die erhöhten Bereiche können auch eine ausgezeichnete Haftung an zusätzlichen elektrochemisch aktiven Materialien aufweisen und für eine erhöhte Stabilität in bestimmten flüssigen Elektrolyten sorgen.
Das Metallsubstrat kann ein beliebiges Metall umfassen, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide) usw. Die Metalle Tantal und Niob sowie Legierungen davon sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Die geometrische Konfiguration des Substrats kann im Allgemeinen variieren, wie dem Fachmann wohlbekannt ist, wie in Form eines Behälters, Bechers, Folie, Blech, Sieb usw. Der Flächeninhalt des Substrats vor der Funkenanodisierung kann im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 5 cm², in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 3 cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 2 cm² liegen.
Jede beliebige Technik kann eingesetzt werden, um das Substrat mit der anodisierenden Lösung in Kontakt zu bringen, wie Tauchen, Sprühen, Beschichten usw. Unabhängig davon enthält die anodisierende Lösung im Allgemeinen eine oder mehrere ionische Verbindungen (d. h. eine Verbindung, die ein oder mehrere Ionen enthält oder in Lösung ein oder mehrere Ionen bilden kann), um die anodische Oxidation einzuleiten. Zu den geeigneten ionischen Verbindungen gehören zum Beispiel anorganische Säuren, wie Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., anorganische Salze einschließlich Lithiumsulfat, Lithiumpersulfat, Natriumsulfat, Natriumpersulfat, Kaliumsulfat, Kaliumpersulfat, Lithiumhydrogensulfat, Natriumhydrogensulfat, Kaliumhydrogensulfat, Lithiumdihydrogenphosphat, Dilithiumhydrogenphosphat, Lithiumphosphat, Natriumdihydrogenphosphat, Dinatriumhydrogenphosphat, Natriumphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat, Dikaliumhydrogenphosphat, Kaliumphosphat, Kombinationen davon usw.
Es können auch chemische Verbindungen eingesetzt werden, um das Aufbrechen des Oxidfilms zu erleichtern. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel eine korrosive Verbindung (z. B. Säure oder Salz) eingesetzt werden, die dabei hilft, den dielektrischen Suboxidfilm aufzulösen, während er sich bildet. Beispiele für solche korrosiven Verbindungen sind zum Beispiel Fluorwasserstoffsäure, Ammoniumfluorid, mit Ammoniumfluorid gepufferte Fluorwasserstoffsäure (BOE), Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid usw. und beliebige Kombinationen davon. Wenn korrosive Verbindungen eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis derselben zu den ionischen Verbindungen typischerweise etwa 0,2 bis etwa 5,0, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4,0 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 bis etwa 3,0. In einer besonderen Ausführungsform kann die anodisierende Lösung Schwefelsäure und Phosphorsäure enthalten. Schwefelsäure kann zum Beispiel in der Lösung in einer Menge von etwa 20 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% vorhanden sein, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 40 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% (z. B. 50 Vol.-%). Ebenso kann Phosphorsäure in der Lösung in einer Menge von etwa 20 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% vorhanden sein, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 40 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% (z. B. 50 Vol.-%).
An die Lösung wird ein Strom (z. B. ein Gleichstrom) mit einer Spannung (z. B. positive Spannung) angelegt, die oberhalb der Durchschlagspannung (”Durchschlag”-Stadium) für das Substrat liegt, so dass die Funkenanodisierung gezün det wird. Dies kann zum Beispiel bei einer konstanten Stromstärke oder mit Spannungsimpulsen erfolgen. Die Durchschlagspannung liegt häufig in einem Bereich von etwa 90 Volt bis etwa 275 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt bis etwa 250 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 115 Volt bis etwa 220 Volt. Das Spannungsniveau kann variieren (z. B. steigen) oder konstant bleiben. In einer Ausführungsform wird das Spannungsniveau zum Beispiel schrittweise erhöht, wie um nicht mehr als etwa 50%, in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 25% und in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 10% der vorhandenen Spannung. Zum Beispiel betragen die schrittweise erfolgenden Erhöhungen vielleicht nicht mehr als etwa 30 Volt, in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 15 Volt und in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 5 Volt über der vorhandenen Spannung. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass anstatt einfach die Spannung zu erhöhen, auch bekannte Umkehrimpuls-Spannungstechniken verwendet werden können.
Es können auch andere Parameter gesteuert werden, um das gewünschte Niveau der Aufrauung der Oberfläche des Substrats zu erreichen. Die Temperatur der anodisierenden Lösung während der Funkenanodisierung kann zum Beispiel etwa 10°C bis etwa 70°C betragen, in einigen Ausführungsformen etwa 15°C bis etwa 60°C und in einigen Ausführungsformen etwa 20°C bis etwa 55°C. Die Stromdichte beträgt ebenfalls typischerweise etwa 0,005 bis etwa 1 A/cm², in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 0,7 A/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 0,02 bis etwa 0,5 A/cm². Die Temperatur und Stromdichte können während der Funkenanodisierung variieren oder konstant bleiben.
Falls gewünscht, kann das Substrat auch einem Schritt des Erhitzens unterzogen werden, um die Oxidation des Metallsubstrats zu minimieren. Die Temperatur, bei der das Substrat erhitzt wird, hängt von der Art der Komponenten ab, die in dem Anodenkörper eingesetzt werden. Zum Beispiel wird das Substrat typischerweise mit einem Ofen erhitzt, der bei einer Temperatur von etwa 200°C bis etwa 1400°C arbeitet, in einigen Ausführungsformen etwa 300°C bis etwa 1200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 400°C bis etwa 1000°C. Das Erhitzen kann etwa 5 bis etwa 300 Minuten lang erfolgen, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 200 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 90 Minuten. Die Wärmebehandlung erfolgt auch typischerweise in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw. Falls gewünscht, kann auch ein Getter-Material eingesetzt werden, das an Sauerstoffatome, die gegebenenfalls während der Wärmebehandlung entfernt wurden, binden kann, um die Leitfähigkeit weiter zu verstärken, wie Tantal, Niob, Kohlenstoff, Magnesium usw. oder Kombinationen davon.
Als Ergebnis des oben beschriebenen Verfahrens entsteht ein Substrat, das eine mikroaufgeraute Oberfläche mit einer Vielzahl von erhöhten Bereichen aufweist. In 1 ist zum Beispiel eine Ausführungsform eines Substrats 100 gezeigt, die eine mikroaufgeraute Oberfläche 110 enthält. Wie gezeigt, enthält die Oberfläche 110 eine Vielzahl von erhöhten Bereichen 112, die im Abstand zwischen einer Vielzahl von Gruben 114 angeordnet sind. Die erhöhten Bereiche 112 haben im Allgemeinen eine ausreichende Größe, um die Oberfläche des Substrats effektiv zu erhöhen. In diesem Zusammenhang beträgt die mittlere Höhe (”H”) der erhöhten Bereiche 112 typischerweise etwa 200 bis etwa 2500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 300 bis etwa 2000 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 500 bis etwa 1500 Nanometer. Die Form der erhöhten Bereiche 112 kann ebenso kreisförmig, röhrenförmig, quadratisch, rechteckig, zylindrisch usw. sein. In der gezeigten Ausführungsform haben die erhöhten Bereiche zum Beispiel eine im Wesentlichen zylindrische Form. Das Ausmaß, in dem die erhöhten Bereiche 112 über die Oberfläche des Substrats verteilt sind, kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel können die erhöhten Bereiche 112 in einer beabstandeten Weise über die Oberfläche verteilt sein, so dass sie ”inselartige” Strukturen bilden. Auf diese Weise können die Bestandteile einer Kathodenbeschichtung anschließend in den Zwischenräumen dieser benachbarten Teilchen verteilt sein und dadurch ihre Haftung am Substrat 100 verbessern. Das Ausmaß, in dem die erhöhten Bereiche 112 voneinander beabstandet sind, kann variieren. Zum Beispiel können benachbarte erhöhte Bereiche um einen Abstand (”D”) zwischen je zwei Peaks beabstandet sein, der im Bereich von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer liegt, in einigen Ausführungs formen etwa 30 bis etwa 400 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 200 Mikrometer. Die Zahl der erhöhten Bereiche 112 kann auch hoch genug sein, um die gewünschte Erhöhung der Oberfläche zu erreichen. Die Oberfläche 110 kann zum Beispiel 1 bis 20, in einigen Ausführungsformen 2 bis 15 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 10 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer besitzen.
Unabhängig von der speziellen Konfiguration der erhöhten Bereiche hat die resultierende mikroaufgeraute Oberfläche einen Flächeninhalt, der größer ist als der Flächeninhalt des Substrats vor der Funkenanodisierung. Wie oben angedeutet, ermöglicht eine solche erhöhte effektive Oberfläche eine erhöhte Kathodenkapazität für eine gegebene Größe und/oder Kondensatoren mit einer reduzierten Größe für eine gegebene Kapazität. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Oberfläche des mikroaufgerauten Substrats zu der des Ausgangssubstrats etwa 1,00 bis etwa 5,00 betragen, in einigen Ausführungsformen etwa 1,05 bis etwa 3,50 und in einigen Ausführungsformen etwa 1,10 bis etwa 3,00.
Soweit der Funkenanodisierungsvorgang überhaupt einen Oxidfilm auf der Oberfläche des Substrats ablagert, ist dieser äußerst dünn und bildet keine kontinuierliche Beschichtung über der Oberfläche. Das heißt, die Oberfläche ist durch Bereiche mit sowohl Metall als auch oxidbeschichtetem Metall definiert. Aus diesem Grund kann das mikroaufgeraute Substrat hochgradig leitfähig bleiben. Das Ausmaß der Leitfähigkeit kann anhand des ”spezifischen Widerstands” bei etwa 20°C charakterisiert werden, der im Allgemeinen kleiner als etwa 1 Ohm·cm ist, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 1 × 10^–2 Ohm·cm, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 1 × 10^–3 Ohm·cm und in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 1 × 10^–4 Ohm·cm. Obwohl es leitfähig ist, kann das Substrat mit einer zusätzlichen Schicht aus einem leitfähigen Material beschichtet werden, um die Oberflächenleitfähigkeit weiter zu verbessern. Beispiele für solche Materialien sind Metalle, wie Gold, Platin, Palladium, Kupfer, Silber usw.
Falls gewünscht, kann gegebenenfalls ein elektrochemisch aktives Material auf das mikroaufgeraute Substrat aufgetragen werden, um die effektive Oberfläche, über die der Elektrolyt elektrochemisch mit dem Substrat in Verbindung steht, noch weiter zu erhöhen. Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von bekannten elektrochemisch aktiven Materialien eingesetzt werden. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel ein leitfähiges Polymer eingesetzt werden, wie ein Polypyrrol, Polythiophen, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyanilin, Polyacetylen, Poly-p-phenylen, Derivate davon usw. Wie in der Technik bekannt ist, können solche leitfähigen Polymere aus einem Monomer gebildet werden, das polymerisiert und dabei eine amorphe, nichtkristalline Form annimmt, die in etwa wie ein Netz erscheint, wenn man sie unter dem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Dies bedeutet, dass die resultierende leitfähige Polymerbeschichtung eine hohe Oberfläche hat und daher so wirkt, dass sie die effektive Oberfläche des Substrats, auf das sie aufgetragen wird, erhöht.
Die leitfähige Polymerbeschichtung kann eine oder mehrere leitfähige Polymerschichten enthalten und kann mit Hilfe einer Vielzahl von bekannten Techniken gebildet werden. Zum Beispiel können Techniken wie Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung verwendet werden, um die Beschichtung zu bilden. In einer Ausführungsform können zum Beispiel die zur Bildung des leitfähigen Polymers (z. B. PEDT) verwendeten Monomere zunächst unter Bildung einer Dispersion mit einem Polymerisationskatalysator gemischt werden. Ein geeigneter Polymerisationskatalysator ist CLEVIOS C (Bayer Corporation), bei dem es sich um Eisen(III)toluolsulfonat und n-Butanol handelt. CLEVIOS C ist ein kommerziell erhältlicher Katalysator für CLEVIOS M, bei dem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen handelt, ein PEDT-Monomer, das ebenfalls von der Bayer Corporation vertrieben wird. Sobald eine Dispersion entstanden ist, kann das Substrat in die Dispersion eingetaucht werden, so dass das leitfähige Polymer entsteht. Alternativ dazu können der Katalysator und das oder die Monomere auch getrennt aufgetragen werden. Zum Beispiel kann der Katalysator in einem Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst und dann als Tauchlösung aufgetragen werden. Obwohl oben verschiedene Verfahren beschrieben wurden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch jedes andere Verfahren zum Auftragen der Beschichtung, die das leitfähige Polymer umfasst, verwendet werden kann. Andere Verfahren zum Auftragen einer solchen Beschichtung, die ein oder mehrere leitfähige Polymere umfasst, sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 5,457,862 (Sakata et al.), 5,473,503 (Sakata et al.), 5,729,428 (Sakata et al.) und 5,812,367 (Kudoh et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Zusätzlich zu oder anstelle von leitfähigen Polymeren können auch Metalle eingesetzt werden, wie Metallteilchen aus Ruthenium, Iridium, Nickel, Rhodium, Rhenium, Cobalt, Wolfram, Mangan, Tantal, Niob, Molybdän, Blei, Titan, Platin, Palladium und Osmium sowie aus Kombinationen dieser Metalle. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das elektrochemisch aktive Material zum Beispiel Palladiumteilchen. Nichtisolierende Oxidteilchen können in der vorliegenden Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. Geeignete Oxide können ein Metall umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ruthenium, Iridium, Nickel, Rhodium, Rhenium, Cobalt, Wolfram, Mangan, Tantal, Niob, Molybdän, Blei, Titan, Platin, Palladium und Osmium sowie aus Kombinationen dieser Metalle besteht. Zu den besonders gut geeigneten Metalloxiden gehören Rutheniumdioxid, Nioboxid, Niobdioxid, Iridiumoxid und Mangandioxid. Kohlenstoffhaltige Teilchen mit dem gewünschten Leitfähigkeitsniveau, wie Aktivkohle, Ruß, Graphit usw., können ebenfalls eingesetzt werden. Einige geeignete Formen von Aktivkohle und Techniken für deren Bildung sind in den US-Patenten Nr. 5,726,118 (Ivey et al.), 5,858,911 (Wellen et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2003/0158342 (Shinozaki et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Falls gewünscht, kann zuweilen ein Bindemittel eingesetzt werden, das dabei hilft, das elektrochemisch aktive Material am Substrat haften zu lassen. Jedes Bindemittel, das für das erforderliche Ausmaß an Haftkraft sorgt, kann verwendet werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Carboxymethylcellulose, ein aus Fluorolefin-Copolymer vernetztes Polymer, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure, Polyimid, Erdölpech, Steinkohlenpech und Phenolharze. Ein leitfähiger Füllstoff kann in einigen Ausführungsformen ebenfalls eingesetzt werden, um die Leitfähigkeit des elektrochemisch aktiven Materials weiter zu erhöhen. Solche leitfähigen Füllstoffe können besonders nützlich sein, um einem Leitfähigkeitsverlust, der daraus resultieren könnte, dass ein Bindemittel einen Teil der Oberfläche des elektrochemisch aktiven Materials bedeckt, entgegenzuwirken. Jeder geeignete leitfähige Füllstoff kann eingesetzt werden, wie Metallteilchen (z. B. Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium usw.), nichtmetallische Teilchen (z. B. Ruß, Graphit usw.).
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung können Kathoden gebildet werden, die eine relativ hohe spezifische Kapazität aufweisen. Zum Beispiel kann die spezifische Kapazität der Kathode etwa 10 Millifarad pro Quadratzentimeter (”mF/cm²”) oder mehr betragen, in einigen Ausführungsformen etwa 15 mF/cm² oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 25 bis etwa 100 mF/cm², bestimmt in einer 5,0 M H₂SO₄-Lösung bei einer Frequenz von 120 Hz. Die hohen Kapazitätswerte können auch bei einer relativ geringen Gesamtdicke von etwa 100 Mikrometern oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Mikrometer oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 50 Mikrometer oder weniger erreicht werden. Solche dünnen Elektroden mit einer hohen Kapazität sind für die Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich symmetrischer und unsymmetrischer Flüssigkeitskondensatoren, Hybridkondensatoren, Batterien usw. gut geeignet. In einer Ausführungsform kann die Kathode zum Beispiel in einem unsymmetrischen Flüssigkeitselektrolytkondensator eingesetzt werden, der eine Anode, Kathode und einen Arbeitselektrolyten, der dazwischen und in Kontakt mit der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst. In dieser Hinsicht werden jetzt verschiedene Ausführungsformen solcher Flüssigkeitselektrolytkondensatoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden können, ausführlicher beschrieben. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die folgende Beschreibung nur beispielhaft ist und zahlreiche andere Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung ebenfalls in Betracht gezogen werden.
Die Anode des Flüssigkeitselektrolytkondensators kann im Allgemeinen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien gebildet sein. Zum Beispiel kann die Anode aus einem Pulver gebildet sein, das in erster Linie aus einem Ventilmetall (d. h. einem Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder aus einer Zusammensetzung, die das Ventilmetall als Komponente enthält, besteht. Zu den geeigneten Ventilmetallen, die verwendet werden können, gehören unter anderem Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen dieser Metalle usw. Zum Beispiel kann die Anode aus einem Ventilmetalloxid oder -nitrid (z. B. Nioboxid, Tantaloxid, Tantalnitrid, Niobnitrid usw.) gebildet sein, das im Allgemeinen als halbleitendes oder gut leitendes Material gilt. Zu den besonders gut geeigneten Ventilmetalloxiden zur Verwendung in der Anode gehören Nioboxide mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1 zu weniger als 2,5, in einigen Ausführungsformen 1 zu weniger als 1,5, in einigen Ausführungsformen 1 zu weniger als 1,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,2. Bei dem Nioboxid kann es sich zum Beispiel um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. Weitere Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind im US-Patent Nr. 6,322,912 (Fife) beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Beispiele für Ventilmetallnitride sind auch in "Tantalum Nitride: A New Substrate for Solid Electrolytic Capacitors" von T. Tripp, Proceedings of CARTS 2000: 20th Capacitor and Resistor Technology Symposium, 6.–20. März 2000, beschrieben.
Zur Bildung der Anode kann im Allgemeinen eine Vielzahl herkömmlicher Fabrikationsverfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann die Anode als Folie, gepresstes Pulver usw. gebildet werden, wie in der Technik wohlbekannt ist. Beispielhafte Anoden aus gepresstem Pulver sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 7,099,143 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Alternativ dazu kann die Anode auch aus Keramikteilchen (z. B. Nb₂O₅, Ta₂O₅) gebildet werden, die unter Bildung eines elektrisch leitfähigen Materials (z. B. NbO, Ta) chemisch reduziert werden. Zum Beispiel kann zunächst eine Schlickerzusammensetzung, die die Keramikteilchen enthält, gebildet und in Form einer dünnen Schicht auf dem Substrat abgeschieden werden. Falls gewünscht, können mehrere Schichten gebildet werden, um die gewünschte Dicke für die Anode zu erreichen. Nachdem die Schicht oder die Schichten gebildet sind, können sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Keramikteilchen chemisch zu reduzieren und die elektrisch leitfähige Anode zu bilden. Solche aus Schlicker gebildeten Anoden können eine geringe Dicke, ein hohes Aspektverhältnis (d. h. Verhältnis von Breite zu Dicke) und eine gleichmäßige Dichte aufweisen, was wiederum zu einer verbesserten volumetrischen Effizienz und einem verbesserten äquivalenten Serienwiderstand (”ESR”) führen kann. Zum Beispiel können die Anoden eine Dicke von etwa 1500 Mikrometern oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1000 Mikrometern oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 500 Mikrometern aufweisen. Ebenso können die Anoden ein Aspektverhältnis von etwa 1 oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 15 oder mehr aufweisen.
Die Anode kann jede gewünschte Form haben, wie quadratisch, rechteckig, kreisförmig, eiförmig, dreieckig, zylindrisch usw. Polygonale Formen mit mehr als vier (4) Seiten (z. B. sechseckig, achteckig, siebeneckig, fünfeckig usw.) sind aufgrund ihrer relativ hohen Oberfläche besonders wünschenswert. Die Anode kann auch eine ”geriffelte” Form haben, indem sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Vertiefungen oder Einkerbungen enthält, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen. Solche ”geriffelten” Anoden sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 (Webber et al.), 5,949,639 (Maeda et al.) und 3,345,545 (Bourgault et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0270725 (Hahn et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Sobald sie gebildet ist, kann die Anode anodisiert werden, so dass ein dielektrischer Film auf und innerhalb der Anode entsteht. Zum Beispiel kann eine Nioboxid(NbO)-Anode unter Bildung von Niobpentoxid (Nb₂O₅) anodisiert werden. Insbesondere wird die Nioboxidanode in einer Ausführungsform bei einer erhöhten Temperatur (z. B. etwa 85°C) in eine schwach saure Lösung (z. B. Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Gemische davon usw.) eingetaucht, der eine kontrollierte Menge an Spannung und Stromstärke zugeführt wird, so dass eine Niobpentoxidbeschichtung mit einer bestimmten Dicke entsteht. Die Stromversorgung wird anfangs auf einer konstanten Stromstärke gehalten, bis die erforderliche Bildungsspannung erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einer konstanten Spannung gehalten, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums auf der Oberfläche der Anode gebildet wird. Die Anodisierungsspannung liegt typischerweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 200 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 100 Volt. Der dielektrische Oxidfilm wird nicht nur auf der Oberfläche der Anode gebildet, sondern ein Teil davon wird typischerweise auch auf den Oberflächen der Poren des Materials entstehen. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass der dielektrische Film auch aus anderen Arten von Materialien und unter Verwendung anderer Techniken gebildet werden kann.
Der Arbeitselektrolyt ist das elektrisch aktive Material, das für den Verbindungsweg zwischen der Anode und der Kathode sorgt, und liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit, wie einer Lösung (z. B. wässrig oder nichtwässrig), Dispersion, Gel usw., vor. Der Arbeitselektrolyt kann zum Beispiel eine wässrige Lösung einer Säure (z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure), Base (z. B. Kaliumhydroxid) oder eines Salzes (z. B. Ammoniumsalz, wie ein Nitrat) sowie irgendein anderer, in der Technik bekannter geeigneter Arbeitselektrolyt sein, wie ein in einem organischen Lösungsmittel aufgelöstes Salz (z. B. in einer Lösung auf Glycolbasis aufgelöstes Ammoniumsalz). Verschiedene andere Elektrolyte sind in den US-Patenten Nr. 5,369,547 und 6,594,140 (Evans et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Elektrolyt relativ neutral und hat einen pH-Wert von etwa 3,0 bis etwa 8,0, in einigen Ausführungsformen etwa 4,0 bis etwa 7,5 und in einigen Ausführungsformen etwa 5,0 bis etwa 7,5. Obwohl er einen neutralen pH-Wert hat, ist der Elektrolyt elektrisch leitfähig. Zum Beispiel kann der Elektrolyt eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 10 oder mehr Millisiemens pro Zentimeter (”mS/cm”) aufweisen, in einigen Ausführungsformen etwa 30 mS/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 40 mS/cm bis etwa 100 mS/cm, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C. Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit kann mit Hilfe irgendeines Messgeräts für die elektrische Leitfähigkeit (z. B. Oakton Con Series 11) bei einer Temperatur von 25°C erhalten werden.
Der Arbeitselektrolyt kann eine Vielzahl von Komponenten enthalten, die dabei helfen, seine Leitfähigkeit, pH-Wert und Stabilität während der Lagerung und Verwendung des Kondensators zu optimieren. Zum Beispiel wird im Allgemeinen ein Lösungsmittel eingesetzt, das als Träger für die anderen Komponenten des Elektrolyten fungiert. Das Lösungsmittel kann etwa 30 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 40 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 45 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Eine Vielzahl von Lösungsmitteln oder Lösungsmittelmischsystemen kann eingesetzt werden, wie Wasser (z. B. deionisiertes Wasser), Ether (z. B. Diethylether und Tetrahydrofuran), Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, Ethylenglycol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Triglyceride, Ketone, (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat); Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat und Methoxypropylacetat); Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril), Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) usw. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist die Verwendung eines wässrigen Lösungsmittels (z. B. Wasser) häufig wünschenswert, um dabei zu helfen, den pH-Wert des Elektrolyten auf einem relativ neutralen Niveau zu halten. Tatsächlich kann Wasser etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% der in dem Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel ausmachen.
Die elektrische Leitfähigkeit des Arbeitselektrolyten kann durch eine oder mehrere ionische Verbindungen herbeigeführt werden, wie es oben beschrieben ist. Die Konzentration an ionischen Verbindungen wird so ausgewählt, das die gewünschte Ausgewogenheit zwischen elektrischer Leitfähigkeit und pH-Wert erreicht wird. Das heißt, eine starke Säure (z. B. Phosphorsäure) kann als ionische Verbindung eingesetzt werden, obwohl ihre Konzentration typischerweise beschränkt ist, um den gewünschten neutralen pH-Wert aufrechtzuerhalten. Wenn starke Säuren eingesetzt werden, machen sie normalerweise etwa 0,001 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% des Elektrolyten aus. Andererseits können auch schwache Säuren (z. B. Essigsäure) eingesetzt werden, solange die gewünschte elektrische Leitfähigkeit erreicht wird. Wenn schwache Säuren eingesetzt werden, machen sie normalerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% des Elektrolyten aus. Falls gewünscht, können auch Gemische aus schwachen und starken Säuren in dem Elektrolyten eingesetzt werden. Die Gesamtkonzentration der ionischen Verbindungen kann variieren, beträgt aber typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% des Elektrolyten.
Falls gewünscht, können auch basische pH-Modifikatoren in dem Elektrolyten in einer wirksamen Menge, um die Wirkung der ionischen Verbindungen auf den pH-Wert auszugleichen, verwendet werden. Zu den geeigneten basischen pH-Modifikatoren gehören unter anderem Ammoniak, Mono-, Di- und Trialkylamine, Mono-, Di- und Trialkanolamine, Alkalimetall- und Erdalkalimetallhydroxide, Alkalimetall- und Erdalkalimetallsilicate und Gemische davon. Spezielle Beispiele für basische pH-Modifikatoren sind Ammoniak, Natrium-, Kalium- und Lithiumhydroxid, Natrium-, Kalium- und Lithiummetasilicate, Monoethanolamin, Triethylamin, Isopropanolamin, Diethanolamin und Triethanolamin.
Um zu gewährleisten, dass der Elektrolyt unter den Bedingungen der normalen Lagerung und Verwendung stabil bleibt, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass sein Gefrierpunkt etwa –20°C oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa –25°C oder weniger beträgt. Falls gewünscht, können ein oder mehrere Gefrierpunkterniedriger eingesetzt werden, wie Glycole (z. B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethy lenglycole, Ethoxydiglycol, Dipropylenglycol usw.), Glycolether (z. B. Methylglycolether, Ethylglycolether, Isopropylglycolether usw.) usw. Obwohl die Konzentration des Gefrierpunkterniedrigers variieren kann, ist er typischerweise in einer Menge von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 20 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% des Elektrolyten vorhanden. Es sei auch angemerkt, dass der Siedepunkt des Elektrolyten typischerweise etwa 85°C oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100°C oder mehr beträgt, so dass der Elektrolyt bei erhöhten Temperaturen stabil bleibt.
Es kann auch ein Depolarisator in dem Arbeitselektrolyten eingesetzt werden, der dabei hilft, die Entwicklung von Wasserstoffgas an der Kathode des Elektrolytkondensators zu hemmen, was ansonsten bewirken könnte, dass der Kondensator sich aufbläht und schließlich versagt. Wenn ein Depolarisator eingesetzt wird, macht er normalerweise etwa 1 bis etwa 500 ppm (”ppm”), in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 200 ppm und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 ppm des Elektrolyten aus.
Geeignete Depolarisatoren können nitroaromatische Verbindungen enthalten, wie 2-Nitrophenol, 3-Nitrophenol, 4-Nitrophenol, 2-Nitrobenzoesäure, 3-Nitrobenzoesäure, 4-Nitrobenzoesäure, 2-Nitroacetophenon, 3-Nitroacetophenon, 4-Nitroacetophenon, 2-Nitroanisol, 3-Nitroanisol, 4-Nitroanisol, 2-Nitrobenzaldehyd, 3-Nitrobenzaldehyd, 4-Nitrobenzaldehyd, 2-Nitrobenzylalkohol, 3-Nitrobenzylalkohol, 4-Nitrobenzylalkohol, 2-Nitrophthalsäure, 3-Nitrophthalsäure, 4-Nitrophthalsäure usw. Besonders gut geeignete nitroaromatische Depolarisatoren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind Nitrobenzoesäuren, Anhydride oder Salze davon, die mit einer oder mehreren Alkylgruppen (z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl usw.) substituiert sind. Spezielle Beispiele für solche alkylsubstituierten Nitrobenzoesäureverbindungen sind zum Beispiel 2-Methyl-3-nitrobenzoesäure, 2-Methyl-6-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-2-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-4-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-6-nitrobenzoesäure, 4-Methyl-3-nitrobenzoesäure, Anhydride oder Salze davon usw. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass alkylsubstituierte Nitrobenzoesäu reverbindungen vorzugsweise elektrochemisch auf den aktiven Stellen der Kathodenoberfläche adsorbiert werden, wenn das Kathodenpotential einen niedrigen Bereich erreicht oder die Zellspannung hoch ist, und anschließend von dort in den Elektrolyten desorbiert werden können, wenn das Kathodenpotential steigt oder die Zellspannung gering ist. Auf diese Weise sind die Verbindungen ”elektrochemisch reversibel”, was eine verbesserte Hemmung der Wasserstoffgasproduktion bedeuten kann.
Die physikalische Anordnung der Anode, Kathode und des Arbeitselektrolyten des Kondensators kann im Allgemeinen variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. In 2 ist zum Beispiel eine Ausführungsform eines Flüssigkeitselektrolytkondensators 40 gezeigt, die einen Arbeitselektrolyten 44 umfasst, der sich zwischen einer Anode 20 und einer Kathode 43 befindet. Die Anode 20 enthält einen dielektrischen Film 21 und ist mit einem Anschluss 42 (z. B. Tantaldraht) eingebettet. Die Kathode 43 wird aus einem mikroaufgerauten Kathodensubstrat 41, wie es oben beschrieben ist, und einem elektrochemisch aktiven Material 49 gebildet. Obwohl keiner gezeigt ist, kann sich ein Separator zwischen der Kathode 43 und der Anode 20 befinden, um einen direkten Kontakt zwischen der Anode und der Kathode zu verhindern und dennoch einen Ionenstrom von dem Arbeitselektrolyten 44 zu den Elektroden zuzulassen. Jedes Material, das als Separator in bekannten Kondensatoren des Elektrolyttyps eingesetzt wird, kann in der vorliegenden Erfindung als Separator verwendet werden. Beispiele dafür sind Papier, Kunststofffasern, Glasfasern, aus diesen Fasern hergestellte Papiere, poröse Membranen und ionenpermeable Materialien (z. B. Nafion^TM). Typischerweise sind die Anode und die Kathode um einen Abstand von etwa 10 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer voneinander getrennt. In dieser Ausführungsform liegt das mikroaufgeraute Kathodensubstrat 41 in Form eines zylinderförmigen ”Bechers” mit daran befestigtem Deckel vor. Eine Dichtung 23 (z. B. Glas-Metall), die die Anode 20 mit der Kathode 43 verbindet und abdichtet, kann ebenfalls eingesetzt werden. Obwohl keiner gezeigt ist, kann der Kondensator 40 auch einen Abstandshalter (nicht gezeigt) enthalten, der die Anode 20 innerhalb der Kathode 43 festhält. Der Abstandshalter kann zum Beispiel aus Kunststoff bestehen und scheibenförmig sein.
Der Elektrolytkondensator der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden; dazu gehören unter anderem medizinische Geräte, wie implantierbare Defibrillatoren, Schrittmacher, Kardioverter, Nervenstimulatoren, Wirkstoffverabreichungsvorrichtungen usw., Kraftfahrzeuganwendungen, militärische Anwendungen, wie RADAR-Systeme, Unterhaltungselektronik, wie Radios, TV-Geräte usw., usw. In einer Ausführungsform kann der Kondensator zum Beispiel in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung eingesetzt werden, die so konfiguriert ist, dass sie für eine Behandlung eines Patienten mit einer therapeutischen Hochspannung sorgt (z. B. zwischen ungefähr 500 Volt und ungefähr 850 Volt oder wünschenswerterweise zwischen ungefähr 600 Volt und ungefähr 800 Volt). Die Vorrichtung kann einen Behälter oder ein Gehäuse enthalten, der bzw. das hermetisch abgedichtet und biologisch inert ist. Ein oder mehrere Anschlüsse werden über eine Ader elektrisch zwischen der Vorrichtung und dem Herzen des Patienten gekoppelt. Herzelektroden werden bereitgestellt, um die Herzaktivität zu überwachen und/oder eine Spannung an das Herz anzulegen. Wenigstens ein Teil der Anschlüsse (z. B. ein Endteil der Anschlüsse) kann in der Nähe oder in Kontakt mit einer Kammer und/oder einem Vorhof des Herzens bereitgestellt werden. Die Vorrichtung enthält auch eine Kondensatorgruppe, die typischerweise zwei oder mehr Kondensatoren enthält, die in Reihe geschaltet sind und mit einer Batterie gekoppelt sind, die intern oder extern in Bezug auf die Vorrichtung angeordnet ist und der Kondensatorgruppe Energie liefert. Teilweise aufgrund der hohen Leitfähigkeit kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete elektrische Eigenschaften erreichen und somit zur Verwendung in der Kondensatorgruppe der implantierbaren medizinischen Vorrichtung geeignet sein. Zum Beispiel kann der äquivalente Serienwiderstand (”ESR”), also das Ausmaß, in dem der Kondensator wie ein Widerstand wirkt, wenn er in einer elektronischen Schaltung aufgeladen und entladen wird, kleiner als etwa 1500 Milliohm sein, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 1000 Milliohm und in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 500 Milliohm, gemessen mit einer Vorspannung von 2 Volt und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 1000 Hz.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Beispiel 1
Die Fähigkeit zur Bildung einer Tantalelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung wurde nachgewiesen. Zunächst wurde eine Tantalfolie (Oberfläche 1 cm²) durch Punktschweißen mit einem Tantaldraht verbunden und 30 Minuten lang in einem Ultraschallbad in einer wässrigen Lösung eines Alconox-Reinigungsmittels (10 Gew.-% in deionisiertem Wasser) entfettet. Dann wurde die Tantalfolie mit deionisiertem Wasser gespült und bei Umgebungstemperatur getrocknet. Danach wurde der Tantaldraht durch Punktschweißen mit einem Edelstahlstab verbunden, um die Tantalfolie mit einer Krokodilklemme halten zu können. Die Tantalfolie wurde in eine Elektrolytlösung gelegt, die 60 Milliliter 1 M H₃PO₄ und 40 Milliliter 1 M H₂SO₄ in einem 100-Milliliter-Becherglas enthielt. Eine elektrochemische Zelle wurde hergestellt, wobei man die oben hergestellte Tantalfolie als Anode und ein Stück Platindraht als Kathode verwendete. Die Verbindung zur Kathode wurde an dem Edelstahlstab, der durch Punktschweißen mit dem Tantaldraht verbunden worden war, befestigt, so dass der Abstand zwischen dem Platindraht und der Tantalfolie 1 cm betrug. Die Drahtverbindung zur Anode wurde am Platindraht befestigt. Eine Funkenanodisierung der Tantalfolie wurde eingeleitet, indem man Gleichstrom mit einer Dichte von 0,05 A/cm² durch die elektrochemische Zelle schickte. Nach 10 Minuten wurden die Proben entfernt. Die Einstellungen der Stromquelle wurden auf 400 V und 0,05 A eingestellt. Bei diesen Einstellungen wurde in etwa 60 Sekunden eine Spannung von ungefähr 190 V erreicht und blieb während der Funkenanodisierung relativ konstant. Die Dauer des Experiments betrug 10 Minuten, und in dieser Zeit wurde die Temperatur in der Nähe der Tantalfolie von 25°C auf 50°C erhöht.
Beispiel 2
Eine Tantalelektrode wurde gebildet, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, außer dass die Elektrolytlösung 50 Milliliter 1 M H₃PO₄ und 50 Milliliter 1 M H₂SO₄ enthielt und der Abstand zwischen dem Platindraht und der Tantalfolie 0,5 Zentimeter betrug. Die Dauer des Experiments betrug 10 Minuten, und in dieser Zeit wurde die Temperatur in der Nähe der Tantalfolie von 29°C auf 50°C erhöht. SEM-Aufnahmen der resultierenden Elektrode sind in den 2 bis 5 gezeigt. Die Fläche eines erhöhten Bereichs wurde unter Verwendung von 4 abgeschätzt. Insbesondere wurde die Fläche unter Verwendung der folgenden Gleichung für Zylinder berechnet: Flächeninhalt = πr² + 2πh, wobei r (Grundflächenradius) auf 2 Mikrometer geschätzt wurde und h (die Höhe) auf 1,3 Mikrometer geschätzt wurde. Daraus wurde bestimmt, dass der erhöhte Bereich eine ungefähre Fläche von 28,9 μm² hatte.
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5457862 [0026]
- US 5473503 [0026]
- US 5729428 [0026]
- US 5812367 [0026]
- US 5726118 [0027]
- US 5858911 [0027]
- US 6322912 [0030]
- US 7099143 [0031]
- US 6191936 [0032]
- US 5949639 [0032]
- US 3345545 [0032]
- US 5369547 [0034]
- US 6594140 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Tantalum Nitride: A New Substrate for Solid Electrolytic Capacitors” von T. Tripp, Proceedings of CARTS 2000: 20th Capacitor and Resistor Technology Symposium, 6.–20. März 2000 [0030]

Claims

Flüssigkeitskondensator, umfassend: eine Anode; eine Kathode, die ein funkenanodisiertes Metallsubstrat, das mit einem elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist, umfasst, wobei das Substrat eine mikroaufgeraute Oberfläche hat, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält; und einen Arbeitselektrolyten, der sich zwischen der Anode und der Kathode befindet.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Metallsubstrat Tantal umfasst.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Metallsubstrat eine Folie ist.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 200 bis etwa 2500 Nanometer hat.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 500 bis etwa 1500 Nanometer hat.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei die mikroaufgeraute Oberfläche 1 bis 20 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer enthält.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei die mikroaufgeraute Oberfläche 3 bis 10 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer enthält.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat elektrisch leitfähig ist.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei das elektrochemisch aktive Material ein leitfähiges Polymer umfasst.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei das elektrochemisch aktive Material Metallteilchen, Metalloxidteilchen oder eine Kombination davon enthält.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Anode Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon umfasst.
Flüssigkeitskondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Anode anodisiert ist und einen dielektrischen Film enthält.
Elektrisch leitfähige Kathode, die eine funkenanodisierte Tantalfolie umfasst, die mit einem elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist, wobei die Folie eine mikroaufgeraute Oberfläche hat, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 200 bis etwa 2500 Nanometern hat.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 500 bis etwa 1500 Nanometer hat.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei die mikroaufgeraute Oberfläche 1 bis 20 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer enthält.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei die mikroaufgeraute Oberfläche 3 bis 10 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer enthält.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei das elektrochemisch aktive Material ein leitfähiges Polymer, Metallteilchen, Metalloxidteilchen oder eine Kombination davon enthält.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei die Kathode eine spezifische Kapazität von etwa 25 bis etwa 100 Millifarad pro Quadratzentimeter hat.
Kathode gemäß Anspruch 13, wobei die Kathode eine Dicke von etwa 100 Mikrometern oder weniger hat.
Verfahren zur Bildung einer Kathode, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Eintauchen eines Metallsubstrats in eine anodisierende Lösung; und das Anlegen eines Stroms mit einer Spannung von etwa 90 bis etwa 275 Volt zur Zündung einer Funkenanodisierung und Bildung einer mikroaufgerauten Oberfläche, die eine Vielzahl von erhöhten Bereichen enthält, auf dem Substrat.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die anodisierende Lösung eine ionische Verbindung und eine korrosive Verbindung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die ionische Verbindung Phosphorsäure umfasst und die korrosive Verbindung Schwefelsäure umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei Schwefelsäure in der Lösung in einer Menge von etwa 4 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% vorhanden ist und Phosphorsäure in der Lösung in einer Menge von etwa 3 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Spannung etwa 115 bis etwa 220 Volt beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Temperatur der anodisierenden Lösung etwa 20°C bis etwa 55°C beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Metallsubstrat Tantal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei wenigstens ein Teil der erhöhten Bereiche eine Höhe von etwa 500 bis etwa 1500 Nanometer hat.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die mikroaufgeraute Oberfläche 3 bis 10 erhöhte Bereiche pro 100 Quadratmikrometer enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 20, das weiterhin das Beschichten des Substrats mit einem elektrochemisch aktiven Material umfasst.