DE102011117192A1

DE102011117192A1 - Festelektrolytkondensator zur Verwendung in Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen

Info

Publication number: DE102011117192A1
Application number: DE102011117192A
Authority: DE
Inventors: Ladislav Vilc; Martin Biler; Stanislav Zednicek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-05-03
Also published as: US20140368974A1; US9224541B2; JP2012099812A; HK1169511A1; KR20120051577A; GB2485022B; US20120106031A1; JP6054601B2; CN102543490A; US8824122B2; CN102543490B; GB201116347D0; GB2485022A; KR101929250B1

Abstract

Eine Kondensatorbaugruppe zur Verwendung in Hochspannungs- und Hochtemperaturumgebungen wird bereitgestellt. Insbesondere umfasst die Kondensatorbaugruppe ein Festelektrolytkondensatorelement, das einen Anodenkörper, ein die Anode bedeckendes Dielektrikum und einen das Dielektrikum bedeckenden festen Elektrolyten enthält. Um dazu beizutragen, die Verwendung der Kondensatorbaugruppe in Hochspannungsanwendungen zu erleichtern, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass der feste Elektrolyt aus einer Dispersion von vorgeformten leitfähigen Polymerteilchen gebildet wird. Auf diese Weise kann der Elektrolyt im Wesentlichen frei von energiereichen Radikalen (z. B. Fe2 +- oder Fe3 +-Ionen), die zu einem Abbau des Dielektrikums führen können, insbesondere bei relativ hohen Spannungen (z. B. oberhalb etwa 60 Volt), bleiben. Um weiterhin dazu beizutragen, die Stabilität des festen Elektrolyten bei hohen Temperaturen zu schützen, ist das Kondensatorelement innerhalb eines Gehäuses in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält, eingeschlossen und hermetisch versiegelt. Vermutlich können das Gehäuse und die Inertgasatmosphäre die Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit beschränken, die zum leitfähigen Polymer des Kondensators gelangt. Auf diese Weise ist der feste Elektrolyt in Umgebungen mit hoher Temperatur mit geringerer Wahrscheinlichkeit an einer Reaktion beteiligt, was die thermische Stabilität der Kondensatorbaugruppe erhöht. Die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung funktioniert nicht nur gut sowohl in Hochspannungs- als auch Hochtemperaturumgebungen, sondern die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung kann auch eine hohe volumetrische Effizienz aufweisen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Elektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) werden aufgrund ihrer volumetrischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Verfahrenskompatibilität zunehmend bei der Gestaltung von Schaltungen verwendet. Zum Beispiel ist ein Kondensatortyp, der entwickelt wurde, ein Festelektrolytkondensator, der eine Anode (z. B. Tantal), eine auf der Anode gebildete dielektrische Oxidschicht (z. B. Tantalpentoxid, Ta₂O₅), eine feste Elektrolytschicht und eine Kathode umfasst. Die feste Elektrolytschicht kann aus einem leitfähigen Polymer gebildet sein, wie es 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 ist. Leider ist die Stabilität solcher fester Elektrolyte jedoch aufgrund der Neigung zur Umwandlung aus einem dotierten in einen undotierten Zustand oder umgekehrt bei hohen Temperaturen gering. Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Festelektrolytkondensator mit verbesserter Leistungsfähigkeit in Umgebungen mit hoher Temperatur.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kondensatorbaugruppe offenbart, die ein Kondensatorelement umfasst, das eine aus einem anodisch oxidierten, gesinterten porösen Körper gebildete Anode und einen die Anode bedeckenden festen Elektrolyten umfasst. Der feste Elektrolyt wird aus einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen gebildet. Die Baugruppe umfasst auch ein Gehäuse, das einen Innenraum definiert, innerhalb dessen das Kondensatorelement positioniert ist, wobei das Gehäuse einen Innenraum definiert, der eine Gasatmosphäre aufweist, die ein Inertgas enthält. Ein Anoden-Endteil steht in elektrischer Verbindung mit dem Anodenkörper, und ein Kathoden-Endteil steht in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Kondensatorbaugruppe offenbart, das Folgendes umfasst: das Bilden eines Kondensatorelements nach einem Verfahren, das das anodische Oxidieren eines gesinterten porösen Körpers unter Bildung einer Anode und das Auftragen einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen auf die Anode unter Bildung eines festen Elektrolyten umfasst; das Positionieren des Kondensatorelements innerhalb eines Innenraums des Gehäuses; das elektrische Verbinden der Anode des Kondensatorelements mit einem Anoden-Endteil und des festen Elektrolyten des Kondensatorelements mit einem Kathoden-Endteil; und das hermetische Versiegeln des Kondensatorelements innerhalb des Gehäuses in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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 einer Kondensatorbaugruppe der Baugruppe der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht eines Leiterrahmens in elektrischer Verbindung mit einem Kondensator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines gesinterten Anodenkörpers, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann; und
die 4–5 zeigen schematisch eine Ausführungsform eines Sinterverfahrens, das in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
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, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert sind.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kondensatorbaugruppe zur Verwendung in Hochspannungs- und Hochtemperaturumgebungen. Insbesondere umfasst die Kondensatorbaugruppe ein Festelektrolytkondensatorelement, das einen Anodenkörper, ein die Anode bedeckendes Dielektrikum und einen das Dielektrikum bedeckenden festen Elektrolyten enthält. Um dazu beizutragen, die Verwendung der Kondensatorbaugruppe in Hochspannungsanwendungen zu erleichtern, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass der feste Elektrolyt aus einer Dispersion von vorgeformten leitfähigen Polymerteilchen gebildet wird. Auf diese Weise kann der Elektrolyt im Wesentlichen frei von energiereichen Radikalen (z. B. Fe² ⁺- oder Fe³ ⁺-Ionen), die zu einem Abbau des Dielektrikums führen können, insbesondere bei relativ hohen Spannungen (z. B. oberhalb etwa 60 Volt), bleiben. Um weiterhin dazu beizutragen, die Stabilität des festen Elektrolyten bei hohen Temperaturen zu schützen, ist das Kondensatorelement innerhalb eines Gehäuses in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält, eingeschlossen und hermetisch versiegelt. Vermutlich können das Gehäuse und die Inertgasatmosphäre die Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit beschränken, die zum leitfähigen Polymer des Kondensators gelangt. Auf diese Weise ist der feste Elektrolyt in Umgebungen mit hoher Temperatur mit geringerer Wahrscheinlichkeit an einer Reaktion beteiligt, was die thermische Stabilität der Kondensatorbaugruppe erhöht. Die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung funktioniert nicht nur gut sowohl in Hochspannungs- als auch Hochtemperaturumgebungen, sondern die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung kann auch eine hohe volumetrische Effizienz aufweisen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher beschrieben.
I. Kondensatorelement
Um dazu beizutragen, die gewünschte volumetrische Effizienz zu erreichen, kann das Kondensatorelement so gebildet werden, dass es einen wesentlichen Teil des Volumens des Innenraums des Gehäuses einnimmt, wie etwa 30 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Vol.-% bis etwa 98 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Vol.-% bis 97 Vol.-% des Innenraums des Gehäuses. Die Fähigkeit, ein Kondensatorelement einzusetzen, das eine ausreichende Größe hat, um einen wesentlichen Teil des Innenraums eines Gehäuses einzunehmen, wie es oben beschrieben ist, kann dadurch erleichtert werden, dass man die Maßhaltigkeit der Anode optimiert. Insbesondere kann eine selektive Kontrolle über die Materialien und das Verfahren, mit denen die Anode hergestellt wird, es ermöglichen, dass sie auch nach dem Sintern formstabil bleibt. Zum Beispiel enthält die Anode einen porösen Körper, der aus einem Ventilmetallpulver gebildet ist. Die spezifische Ladung des Pulvers kann variieren, wie von etwa 2000 μF·V/g bis etwa 80 000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 5000 μF·V/g bis etwa 40 000 μF·V/g oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 10 000 bis etwa 20 000 μF·V/g. Das Ventilmetallpulver enthält ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine Verbindung, die auf einem Ventilmetall beruht, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. Zum Beispiel kann die Ventilmetallzusammensetzung ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob enthalten, wie ein Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. Bei dem Nioboxid kann es sich zum Beispiel um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind in den US-Patenten Nr. 6,322,912 (Fife), 6,391,275 (Fife et al.), 6,416,730 (Fife et al.), 6,527,937 (Fife), 6,576,099 (Kimmel et al.), 6,592,740 (Fife et al.) und 6,639,787 (Kimme) et al.) und 7,220,397 (Kimmel et al.) sowie in den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.) und 2005/0013765 (Thomas et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Die Teilchen des Pulvers können flockenartig, eckig, knotenförmig sowie Gemische oder Variationen davon sein. Die Teilchen haben auch typischerweise eine Siebgrößenverteilung von wenigstens etwa 60 mesh, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 325 mesh und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 200 mesh. Ferner beträgt die spezifische Oberfläche etwa 0,1 bis etwa 10,0 m²/g, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 5,0 m²/g und in einigen Ausführungsformen etwa 1,0 bis etwa 2,0 m²/g. Der Ausdruck ”spezifische Oberfläche” bezieht sich auf die Oberfläche, die durch das Verfahren der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.) vonBrunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas bestimmt wurde. Ebenso beträgt die Schüttdichte (oder Scott-Dichte) typischerweise etwa 0,1 bis etwa 5,0 g/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 4,0 g/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 3,0 g/cm³.
Um den Bau des Anodenkörpers zu erleichtern, können noch weitere Komponenten zu dem Pulver gegeben werden. Zum Beispiel kann ein Bindemittel und/oder Gleitmittel eingesetzt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie zum Anodenkörper gepresst werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören etwa Campher, Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphthalin, Pflanzenwachs und Mikrowachse (gereinigte Paraffine). Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und dispergiert werden. Beispielhafte Lösungsmittel sind Wasser, Alkohole usw. Wenn Bindemittel und/oder Gleitmittel verwendet werden, kann ihr Prozentanteil von etwa 0,1 bis etwa 8 Gew.-% der Gesamtmasse variieren. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass Bindemittel und Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
Das resultierende Pulver kann kompaktiert werden, wobei man irgendeine herkömmliche Pulverpressform verwendet. Die Pressform kann zum Beispiel eine Einplatz-Kompaktierpresse sein, bei der eine Matrize und ein oder mehrere Stempel verwendet werden. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, bei denen nur eine Matrize und ein einziger Unterstempel verwendet werden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Knienebel- und Exzenter-/Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Nach dem Kompaktieren kann der resultierende Anodenkörper dann in jede gewünschte Form geschnitten werden, wie quadratisch, rechteckig, kreisförmig, oval, dreieckig, sechseckig, achteckig, siebeneckig, fünfeckig usw. 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 ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen. Der Anodenkörper kann dann einem Schritt des Erhitzens unterzogen werden, bei dem der größte Teil, wenn nicht alles, eines Bindemittels/Gleitmittels, falls vorhanden, entfernt wird. Zum Beispiel wird der Anodenkörper typischerweise in einem Ofen erhitzt, der bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 500°C arbeitet. Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch dadurch entfernt werden, dass man den Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt bringt, wie es im US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist.
Sobald er gebildet ist, wird der Anodenkörper dann gesintert. Die Temperatur, Atmosphäre und Zeit des Sinterns können von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, wie der Art der Anode, der Größe der Anode usw. Typischerweise erfolgt das Sintern bei einer Temperatur von etwa 800°C bis etwa 1900°C, in einigen Ausführungsformen etwa 1000°C bis etwa 1500°C und in einigen Ausführungsformen etwa 1100°C bis etwa 1400°C während einer Zeit von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 30 Minuten bis etwa 60 Minuten. Falls gewünscht, kann das Sintern in einer Atmosphäre erfolgen, die die Übertragung von Sauerstoffatomen zur Anode einschränkt. Zum Beispiel kann das Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., erfolgen. Die reduzierende Atmosphäre kann einen Druck von etwa 10 Torr bis etwa 2000 Torr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 1000 Torr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 930 Torr aufweisen. Gemische von Wasserstoff und anderen Gasen (z. B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden.
Aufgrund der spezifischen Ladung des zur Bildung des Anodenkörpers verwendeten Pulvers führt das Sintern im Allgemeinen zu einem erheblichen Grad der Schrumpfung. Mit zunehmender Größe des Anodenkörpers kann diese Schrumpfung einen recht erheblichen Grad der Biegung in der Anodenstruktur verursachen. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass die Biegung zunimmt, wenn sich der Anodenkörper in physikalischem Kontakt mit einer oder mehreren externen harten Oberflächen (z. B. der Oberfläche eines Sintertischs) befindet. Insbesondere können solche harten Oberflächen die Schrumpfung des Anodenkörpers an den Stellen, wo es einen physikalischen Kontakt gibt, einschränken (zuweilen als ”Festnageln” bezeichnet) und dadurch zu weniger Schrumpfung im Bereich des physikalischen Kontakts als an anderen Stellen des Anodenkörpers führen. Diese Schrumpfungsdifferenz kann wiederum bewirken, dass sich der Anodenkörper biegt und eine gekrümmte Form (z. B. Halbmondform) bildet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Sintern, um diese Biegung zu minimieren, in einer solchen Weise durchgeführt werden kann, dass sich die Oberflächen des Anodenkörpers nicht in physikalischem Kontakt mit einer externen Oberfläche (z. B. Oberfläche eines Sintertischs) befinden.
In den 4–5 ist zum Beispiel eine Ausführungsform einer solchen Sintertechnik gezeigt, bei der eine oder mehrere Anoden 20 über einen Anodenanschluss 42 mit einem Stringer 200 verbunden sind. Jedes bekannte Verfahren, um den Anodenanschluss 42 an dem Stringer 200 zu befestigen, wie Schweißen, Gesenkschmieden usw., kann eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Anoden 20 vom Stringer 200 ”herunterhängen”, ohne in physikalischen Kontakt mit einer externen Oberfläche zu kommen. Die resultierende Anodenbaugruppe 201 kann sich also auf einer Oberfläche 221 befinden, die durch eine Wärmebehandlungsvorrichtung oder einen Ofen 220 läuft (5). Da die Anoden 20 im Ofen 220 erhitzt werden, können sie ohne physikalische Einschränkung frei schrumpfen. Man sollte sich auch darüber im Klaren sein, dass verschiedene andere Konfigurationen eingesetzt werden können, um eine Anode ohne diese Einschränkung zu sintern. In einer anderen Ausführungsform kann zum Beispiel eine hängende Anode vertikal in einen Ofen verschoben und dann nach Beendigung des Sintervorgangs aus der Vorrichtung herausgehoben werden.
Trotz ihrer relativ großen Abmessung kann die resultierende Anode also insofern formstabil bleiben, als sie nur einen geringen Grad der Krümmung besitzt, wenn überhaupt. Die Maßhaltigkeit kann charakterisiert werden durch die Orientierung der Anode relativ zur medialen Längsebene, die sich durch ein Ende der Anode erstreckt. In 3 ist zum Beispiel eine Ausführungsform einer Anode 20 gezeigt, die sich in Richtung einer Längsachse 3 erstreckt. Die Anode 20 weist einen oberen Endteil 17 und einen unteren Endteil 19 auf, zwischen denen sich ein erster Randteil 7 und ein gegenüberliegender zweiter Randteil 9 erstreckt. Eine mediale Längsebene 13 erstreckt sich durch den oberen Endteil 17 in einer Richtung parallel zur Längsachse 3. Aufgrund ihrer Maßhaltigkeit besitzt die Anode 20 wenn überhaupt nur eine kleine Oberflächenvarianz zwischen der medialen Ebene 13 und den jeweiligen Randteilen 7 und 9. Das heißt, die Differenz ”W” zwischen dem Abstand ”a” (zwischen der medialen Ebene 13 und dem Randteil 7) und dem Abstand ”b” (zwischen der medialen Ebene 13 und dem Randteil 9), auch als ”Verwerfung” bekannt, ist im Allgemeinen klein entlang der Länge der Anode 20. Zum Beispiel kann die Differenz W (oder ”Verwerfung”) entlang der Länge der Anode 20, wie in der Mitte der Anode gemäß 3, etwa 0,25 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,20 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,15 Millimeter oder weniger und in einigen Ausführungsformen 0 bis etwa 0,10 Millimeter betragen.
Der Krümmungsradius, der umgekehrt proportional zum Grad der Krümmung ist, kann ebenfalls verwendet werden, um die formstabile Anode 20 zu definieren. Der Krümmungsradius kann in einer Richtung spezifiziert werden, die repräsentativ für die allgemeine Form der Anode 20 ist, wie in Richtung einer medialen Querebene 14, die senkrecht zur medialen Längsebene 13 steht. Insbesondere wird der Krümmungsradius in 3 durch die Bezeichnung ”R” dargestellt und kann durch folgende Gleichung berechnet werden: Radius = W/2 + L²/8W, wobei W die oben beschriebene ”Verwerfung” ist und L die Länge ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Krümmungsradius in Richtung der medialen Querebene 14 etwa 25 Zentimeter oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Zentimeter oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Zentimeter oder mehr betragen.
Gegebenenfalls kann auch ein Anodenanschluss an dem Anodenkörper befestigt werden, der sich in Längsrichtung erstreckt. Der Anodenanschluss kann in Form eines Drahtes, Bleches usw. vorliegen und kann aus einer Ventimetallverbindung, wie Tantal, Niob, Nioboxid usw., bestehen. Die Befestigung des Anschlusses kann mit Hilfe von bekannten Techniken erfolgen, wie etwa durch Schweißen des Anschlusses an den Körper oder Einbetten innerhalb des Anodenkörpers während der Bildung (z. B. vor der Kompaktierung und/oder dem Sintern).
Wie oben angegeben, wird die Anode auch mit einem Dielektrikum beschichtet. Das Dielektrikum kann durch anodisches Oxidieren (”Anodisieren”) der gesinterten Anode gebildet werden, so dass eine dielektrische Schicht auf und/oder innerhalb der Anode entsteht. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst eine Lösung auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. Im Allgemeinen wird ein Lösungsmittel, wie Wasser (z. B. deionisiertes Wasser), eingesetzt. Um die Ionenleitfähigkeit zu verstärken, kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Beispiele für solche Verbindungen sind zum Beispiel Säuren, wie sie im Folgenden in Bezug auf den Elektrolyten beschrieben werden. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure) etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% der anodisierenden Lösung ausmachen. Falls gewünscht, können auch Gemische von Säuren eingesetzt werden.
Ein Strom wird durch die anodisierende Lösung geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Bildungsspannung entspricht der Dicke der dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums über der gesamten Oberfläche der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung, bei der die anodische Oxidation erfolgt, liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 250 V und in einigen Ausführungsformen etwa 9 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 V. Während der Oxidation kann die anodisierende Lösung auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, wie etwa 30°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40°C bis etwa 200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 50°C bis etwa 100°C. Die anodische Oxidation kann auch bei Umgebungstemperatur oder darunter durchgeführt werden. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
Wie bereits erwähnt, bedeckt ein fester Elektrolyt das Dielektrikum und fungiert im Allgemeinen als Kathode für den Kondensator. Der feste Elektrolyt kann aus einer oder mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Die in solchen Schichten eingesetzten leitfähigen Polymere sind typischerweise π-konjugiert und weisen nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit auf, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS·cm^–1 nach der Oxidation. Beispiele für solche π-konjugierten leitfähigen Polymere sind zum Beispiel Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw.), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw. Besonders gut geeignete leitfähige Polymere sind substituierte Polythiophene mit der folgenden allgemeinen Struktur:
wobei
T = O oder S ist;
D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest (z. B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest (z. B. Methyl, Ethyl, n-Propyl oder Isopropyl, n-, iso-, sek- oder tert-Butyl, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n-Hexadecyl, n-Octadecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁ Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z. B. Benzyl, o-, m-, p-Talyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6, 3,4-, 3,5-Xylyl, Mesityl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest; und
q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 ist; und
n = 2 bis 5000, in einigen Ausführungsformen 4 bis 2000 und in einigen Ausführungsformen 5 bis 1000 ist. Beispiele für Substituenten für die Reste ”D” oder ”R₇” sind zum Beispiel Alkyl, Cycloalkyl, Aryl, Aralkyl, Alkoxy, Halogen, Ether, Thioether, Disulfid, Sulfoxid, Sulfon, Sulfonat, Amino, Aldehyd, Keto, Carbonsäureester, Carbonsäure, Carbonat, Carboxylat, Cyano, Alkylsilan- und Alkoxysilangruppen, Carboxylamidgruppen usw.
Besonders gut geeignete Thiophenpolymere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel kann das Polymer gegebenenfalls substituiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) sein, das die folgende allgemeine Struktur hat:
Verfahren zur Bildung von leitfähigen Polymeren wie den oben beschriebenen sind in der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,987,663 (Merker et al.), auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird, verschiedene Techniken zur Bildung von substituierten Polythiophenen aus einem monomeren Vorläufer. Der monomere Vorläufer kann zum Beispiel die folgende Struktur haben:
wobei
T, D, R₇ und q wie oben definiert sind. Besonders gut geeignete Thiophenmonomere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel können gegebenenfalls substituierte 3,4-Alkylendioxythiophene eingesetzt werden, die die folgende allgemeine Struktur haben:
wobei R₇ und q wie oben definiert sind. In einer besonderen Ausführungsform ist ”q” = 0. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der H. C. Starck GmbH unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich. Weitere geeignete Monomere sind auch im US-Patent Nr. 5,111,327 (Blohm et al.) und 6,635,729 (Groenendahl et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Derivate dieser Monomere, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind, können ebenfalls eingesetzt werden. Höhermolekulare Derivate, d. h. Tetramere, Pentamere usw., der Monomere sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und können in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Thiophenmonomere werden in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert. Der oxidative Katalysator kann ein Übergangsmetallsalz sein, wie ein Salz einer anorganischen oder organischen Säure, das Ammonium-, Natrium-, Gold-, Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)- oder Ruthenium(III)-Kationen enthält. Besonders gut geeignete Übergangsmetallsalze sind Halogenide (z. B. FeCl₃ oder HAuCl₄), Salze anderer anorganischer Säuren (z. B. Fe(ClO₄)₃, Fe₂(SO₄)₃, (NH₄)₂S₂O₈ oder Na₃Mo₁₂PO₄₀) und Salze organischer Säuren und anorganischer Säuren, die organische Reste umfassen. Beispiele für Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremonoestern von C₁- bis C₂₀-Alkanolen (z. B. das Eisen(III)-Salz von Laurylsulfat). Ebenso sind Beispiele für Salze von organischen Säuren zum Beispiel Eisen(III)-Salze von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Methan-, Ethan-, Propan-, Butan- oder Dodecansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); Eisen(III)-Salze von aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Eisen(III)-Salze von Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Camphersulfonsäure); usw. Gemische dieser oben genannten Salze können ebenfalls verwendet werden.
Falls gewünscht, kann die Polymerisation des Monomers in einer Vorläuferlösung erfolgen. In der Lösung können Lösungsmittel (z. B. polar protische oder unpolare) eingesetzt werden, wie Wasser, Glycole (z. B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol, Dipropylenglycol usw.), Glycolether (z. B. Methylglycolether, Ethylglycolether, Isopropylglycolether usw.), Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Ketone, (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat, Methoxypropylacetat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat usw.), Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan), phenolische Verbindungen (z. B. Toluol, Xylol usw.) usw. Wasser ist ein besonders gut geeignetes Lösungsmittel für die Reaktion. Wenn welche eingesetzt werden, beträgt die Gesamtmenge an Lösungsmitteln in der Vorläuferlösung etwa 40 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 60 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%.
Die Polymerisation des Thiophenmonomers erfolgt im Allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 10°C bis etwa 100°C und in einigen Ausführungsformen etwa 15°C bis etwa 75°C. Nach Beendigung der Reaktion können bekannte Filtrationstechniken eingesetzt werden, um Salzverunreinigungen gegebenenfalls zu entfernen. Es können auch ein oder mehrere Waschschritte eingesetzt werden, um die Dispersion zu reinigen.
Nach der Polymerisation liegt das resultierende leitfähige Polymer im Allgemeinen in Form von Teilchen mit geringer Größe vor, wie mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 200 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 100 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 50 Nanometer. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden. Die Form der Teilchen kann ebenfalls variieren. In einer bestimmten Ausführungsform sind die Teilchen zum Beispiel kugelförmig. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch andere Formen in Betracht gezogen werden, wie Plättchen, Stäbchen, Scheiben, Stangen, Rohre, unregelmäßige Formen usw. Die Konzentration der Teilchen in der Dispersion kann je nach der gewünschten Viskosität der Dispersion und der besonderen Weise, in der die Dispersion auf den Kondensator aufgetragen wird, variieren. Typischerweise bilden die Teilchen jedoch etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Dispersion.
Falls gewünscht, kann die Verarbeitung des leitfähigen Polymers in eine Teilchenform verstärkt werden, indem man ein getrenntes Gegenion verwendet, das einem geladenen leitfähigen Polymer (z. B. Polythiophen) entgegenwirken soll. Das heißt, das in dem festen Elektrolyten verwendete leitfähige Polymer (z. B. Polythiophen oder ein Derivat davon) trägt typischerweise eine Ladung auf der Hauptpolymerkette, die neutral oder positiv (kationisch) ist. Polythiophen-Derivate tragen zum Beispiel typischerweise eine positive Ladung in der Hauptpolymerkette. In einigen Fällen kann das Polymer positive und negative Ladungen in der Struktureinheit besitzen, wobei sich die positive Ladung auf der Hauptkette und die negative Ladung gegebenenfalls auf den Substituenten des Restes ”R”, wie Sulfonat- oder Carboxylatgruppen, befindet. Die positiven Ladungen der Hauptkette können teilweise oder zur Gänze mit den gegebenenfalls vorhandenen anionischen Gruppen an den Resten ”R” gesättigt sein. Insgesamt gesehen können die Polythiophene in diesen Fällen kationisch, neutral oder sogar anionisch sein. Dennoch werden sie alle als kationische Polythiophene angesehen, da die Polythiophen-Hauptkette eine positive Ladung trägt.
Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein. Polymere Anionen können zum Beispiel Anionen von polymeren Carbonsäuren (z. B. Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäuren usw.), polymeren Sulfonsäuren (z. B. Polystyrolsulfonsäuren (”PSS”), Polyvinylsulfonsäuren usw.) usw. sein. Die Säuren können auch Copolymere, wie Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäure mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Ebenso sind geeignete monomere Anionen zum Beispiel Anionen von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Kamphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluorophosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexachloroantimonate); usw. Besonders gut geeignete Gegenionen sind polymere Anionen, wie eine polymere Carbon- oder Sulfonsäure (z. B. Polystyrolsulfonsäure (”PSS”)). Das Molekulargewicht solcher polymeren Anionen liegt typischerweise im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2 000 000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500 000.
Wenn sie eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis solcher Gegenionen zu leitfähigen Polymeren in einer gegebenen Schicht des festen Elektrolyten typischerweise etwa 0,5:1 bis etwa 50:1, in einigen Ausführungsformen etwa 1:1 bis etwa 30:1 und in einigen Ausführungsformen etwa 2:1 bis etwa 20:1. Das Gewicht der elektrisch leitfähigen Polymere, von dem bei den oben genannten Gewichtsverhältnissen die Rede ist, bezieht sich auf den eingewogenen Anteil der verwendeten Monomere, wenn man annimmt, dass während der Polymerisation eine vollständige Umsetzung stattfindet.
Neben leitfähigen Polymeren und wahlfreien Gegenionen kann die Dispersion auch ein oder mehrere Bindemittel enthalten, um die adhäsive Natur der polymeren Schicht weiter zu verstärken und auch die Stabilität der Teilchen innerhalb der Dispersion zu erhöhen. Die Bindemittel können organischer Natur sein, wie Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylchloride, Polyvinylacetate, Polyvinylbutyrate, Polyacrylsäureester, Polyacrylsäureamide, Palymethacrylsäureester, Polymethacrylsäureamide, Polyacrylnitrile, Styrol/Acrylsäureester, Vinylacetat/Acrylsäureester und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Polybutadiene, Polyisoprene, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Polysulfone, Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxyharze, Silikonharze oder Cellulosen. Es können auch Vernetzungsmittel eingesetzt werden, um die Adhäsionsfähigkeit der Bindemittel zu erhöhen. Solche Vernetzungsmittel sind zum Beispiel Melaminverbindungen, maskierte Isocyanate oder funktionelle Silane, wie 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, Tetraethoxysilan und Tetraethoxysilan-Hydrolysat oder vernetzbare Polymere, wie Polyurethane, Polyacrylate oder Polyolefine, und anschließende Vernetzung.
Es können auch Dispersionsmittel eingesetzt werden, um die Bildung des festen Elektrolyten zu erleichtern und seine Auftragbarkeit auf den Anodenteil zu verbessern. Zu den geeigneten Dispersionsmitteln gehören Lösungsmittel, wie aliphatische Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol und Butanol), aliphatische Ketone (z. B. Aceton und Methylethylketone), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Ethylacetat und Butylacetat), aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Toluol und Xylol), aliphatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Hexan, Heptan und Cyclohexan), chlorierte Kohlenwasserstoffe (z. B. Dichlormethan und Dichlorethan), aliphatische Nitrile (z. B. Acetonitril), aliphatische Sulfoxide und Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid und Sulfolan), aliphatische Carbonsäureamide (z. B. Methylacetamid, Dimethylacetamid und Dimethylformamid), aliphatische und araliphatische Ether (z. B. Diethylether und Anisol), Wasser sowie Gemische irgendwelcher der obigen Lösungsmittel. Ein besonders gut geeignetes Dispersionsmittel ist Wasser.
Außer den oben genannten können auch noch andere Bestandteile in der Dispersion verwendet werden. Zum Beispiel können herkömmliche Füllstoffe verwendet werden, die eine Größe von etwa 10 Nanometer bis etwa 100 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Nanometer bis etwa 50 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Nanometer bis etwa 30 Mikrometer aufweisen. Beispiele für solche Füllstoffe sind Calciumcarbonat, Silicate, Siliciumoxid, Calcium- oder Bariumsulfat, Aluminiumhydroxid, Glasfasern oder -kolben, Holzmehl, Cellulosepulver, Ruß, elektrisch leitfähige Polymere usw. Die Füllstoffe können in Pulverform in die Dispersion eingeführt werden, können jedoch auch in einer anderen Form, etwa als Fasern, vorliegen. Grenzflächenaktive Substanzen, wie ionische oder nichtionische Tenside, können ebenfalls in der Dispersion eingesetzt werden. Weiterhin können Kleber eingesetzt werden, wie organofunktionelle Silane oder ihre Hydrolysate, zum Beispiel 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Mercaptopropultrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan oder Octyltriethoxysilan. Die Dispersion kann auch Additive enthalten, die die Leitfähigkeit erhöhen, wie Ethergruppen enthaltende Verbindungen (z. B. Tetrahydrofuran), Lactongruppen enthaltende Verbindungen (z. B. γ-Butyrolacton oder γ-Valerolacton), Amid- oder Lactamgruppen enthaltende Verbindungen (z. B. Caprolactam, N-Methylcaprolactam, N,N-Dimethylacetamid, N-Methylacetamid, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylformamid, N-Methylformanilid, N-Methylpyrrolidon (NMP), N-Octylpyrrolidon oder Pyrrolidon), Sulfone und Sulfoxide (z. B. Sulfolan (Tetramethylensulfon) oder Dimethylsulfoxid (DMSO)), Zucker oder Zuckerderivate (z. B. Saccharose, Glucose, Fructose oder Lactose), Zuckeralkohole (z. B. Sorbit oder Mannit), Furanderivate (z. B. 2-Furancarbonsäure oder 3-Furancarbonsäure) und Alkohole (z. B. Ethylenglycol, Glycerin, Di- oder Triethylenglycol).
Die polymere Dispersion kann mit Hilfe einer Vielzahl von bekannten Techniken auf den Teil aufgetragen werden, wie durch Schleuderbeschichtung, Imprägnierung, Gießen, tropfenweise Auftragung, Spritzen, Sprühen, Rakeln, Bürsten oder Drucken (z. B. Tintenstrahl-, Sieb- oder Blockdruck) oder Tauchen. Obwohl sie je nach der eingesetzten Auftragungstechnik variieren kann, beträgt die Viskosität der Dispersion typischerweise etwa 0,1 bis etwa 100 000 mPa·s (gemessen bei einer Scherrate von 100 s), in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10 000 mPa·s, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 1500 mPa·s und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 1000 mPa·s. Einmal aufgetragen, kann die Schicht getrocknet und gewaschen werden.
Ein Vorteil der Verwendung einer solchen Dispersion besteht darin, dass sie in der Lage sein kann, in den Randbereich des Kondensatorkörpers vorzudringen, um die Haftung am Dielektrikum zu erhöhen. Dies führt zu einem mechanisch robusteren Teil, was den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Solche Dispersionen können auch die Anwesenheit von während der in-situ-Polymerisation erzeugten ionischen Spezies (z. B. Fe²⁺ oder Fe³ ⁺) minimieren, was unter einem hohen elektrischen Feld einen dielektrischen Durchschlag aufgrund von Ionenwanderung verursachen kann. Indem man also das leitfähige Polymer als Dispersion und nicht durch in-situ-Polymerisation aufträgt, kann der resultierende Kondensator eine relativ hohe ”Durchschlagsspannung” (Spannung, bei der der Kondensator versagt), wie etwa 60 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 120 Volt bis etwa 200 Volt aufweisen, die bestimmt wird, indem man die angelegte Spannung in Schritten von 3 Volt erhöht, bis der Leckstrom 1 mA erreicht.
Wenn gewünscht, kann der feste Elektrolyt aus einer oder mehreren Schichten gebildet werden. Wenn mehrere Schichten eingesetzt werden, können sie aus einem leitfähigen Polymer, das in situ gebildet wird, und/oder aus einer polymeren Dispersion gebildet werden. Jede Schicht kann mit Hilfe von einem oder mehreren Beschichtungsschritten gebildet werden. Die Erfinder haben jedoch Folgendes herausgefunden: Wenn gewünscht wird, sehr hohe Durchbruchsspannungen (z. B. etwa 120 bis 200 Volt) zu erreichen, wird der feste Elektrolyt primär aus den oben beschriebenen polymeren Dispersionen gebildet und ist im Allgemeinen frei von durch in-situ-Polymerisation gebildeten leitfähigen Polymeren. Unabhängig von der Zahl der eingesetzten Schichten hat der resultierende feste Elektrolyt typischerweise eine Gesamtdicke von etwa 1 Mikrometer (μm) bis etwa 200 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 μm bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 μm bis etwa 30 μm.
Nach Auftragung auf den Anodenteil kann bzw. können die Schicht(en) des festen Elektrolyten auch geflickt werden. Das Flicken kann nach jeder Auftragung einer festen Elektrolytschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten Beschichtung erfolgen, wenn mehrere Schichten eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann der feste Elektrolyt zum Beispiel geflickt werden, indem man den Pressling in eine Elektrolytlösung, wie eine Säurelösung, eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung anlegt, bis die Stromstärke auf ein vorgewähltes Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann dieses Flicken auch in mehreren Schritten bewerkstelligt werden. Nach dem Auftragen einiger oder aller oben beschriebenen Schichten kann der resultierende Teil dann gegebenenfalls gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssige Oxidationsmittel usw. zu entfernen. Weiterhin kann in einigen Fällen nach einem Teil oder allen oben beschriebenen Eintauchvorgängen getrocknet werden. Ein Trocknen kann zum Beispiel wünschenswert sein, nachdem das Oxidationsmittel aufgetragen und/oder nachdem der Pressling gewaschen wurde, um die Poren des Teils zu öffnen, so dass er bei anschließenden Tauchschritten eine Flüssigkeit aufnehmen kann.
Auf das Teil können gegebenenfalls eine oder mehrere zusätzliche Schichten, wie eine externe Beschichtung, die den festen Elektrolyten bedeckt, aufgetragen werden. Die externe Beschichtung kann wenigstens eine kohlenstoffhaltige Schicht und wenigstens eine Metallschicht, die die kohlenstoffhaltige Schicht bedeckt, enthalten. Die Metallschicht kann als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungssammler für den Kondensator wirken und kann aus einem leitfähigen Metall bestehen, wie Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium und Legierungen davon. Silber ist ein besonders gut geeignetes leitfähiges Metall zur Verwendung in der Schicht. Die kohlenstoffhaltige Schicht kann den Kontakt zwischen der Metallschicht und dem festen Elektrolyten begrenzen, was ansonsten den Widerstand des Kondensators erhöhen würde. Die kohlenstoffhaltige Schicht kann aus einer Vielzahl von bekannten kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Graphit, Aktivkohle, Ruß usw. bestehen. Die Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht liegt typischerweise im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 μm bis etwa 30 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 μm bis etwa 10 μm. Ebenso liegt die Dicke der Metallschicht typischerweise im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 100 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 5 μm bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 10 μm bis etwa 25 μm.
Zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten kann auch eine Schutzbeschichtung eingesetzt werden. Die Schutzbeschichtung kann ein relativ isolierendes harzartiges Material (natürlich oder synthetisch) umfassen. Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10 Ω·cm haben, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 100, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1000 Ω·cm, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10⁵ Ω·cm und in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10¹⁰ Ω·cm. Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z. B. Glyceride) usw. Zu den geeigneten Estern von Fettsäuren gehören zum Beispiel unter anderem Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Eleostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Schellolsäure usw. Diese Ester von Fettsäuren haben sich als besonders nützlich erwiesen, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen unter Bildung eines ”trocknenden Öls” verwendet werden, das es dem resultierenden Film ermöglicht, schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Zu diesen trocknenden Ofen gehören etwa Mono-, Di- und/oder Triglyceride, die ein Glyceringerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten, die verestert sind, aufweisen. Einige geeignete trocknende öle, die verwendet werden können, sind zum Beispiel unter anderem Olivenöl, Leinöl, Ricinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist es häufig wünschenswert, dass das Kondensatorelement im Wesentlichen frei von harzartigen Einbettungsmitteln (z. B. Epoxidharz), die in Festelektrolytkondensatoren häufig verwendet werden, ist. Unter Anderem können solche harzartigen Materialien zu einer Reduktion der volumetrischen Effizienz der Kondensatorbaugruppe führen.
II. Gehäuse
Das Kondensatorelement der vorliegenden Erfindung wird innerhalb eines Gehäuses eingeschlossen und hermetisch versiegelt. Die hermetische Versiegelung erfolgt typischerweise in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die wenigstens ein Inertgas enthält, um die Oxidation des festen Elektrolyten während der Verwendung zu hemmen. Das Inertgas kann zum Beispiel Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon usw. sowie Gemische davon umfassen. Typischerweise bilden Inertgase den größten Teil der Atmosphäre innerhalb des Keramikgehäuses, wie zum Beispiel 50 Gew.-% bis 100 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis 100 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% der Atmosphäre. Falls gewünscht, kann auch eine relativ kleine Menge an Nichtinertgasen eingesetzt werden, wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf usw. In solchen Fällen bilden die Nichtinertgase jedoch typischerweise 15 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen 10 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses. zum Beispiel kann der Feuchtigkeitsgehalt (ausgedrückt als relative Feuchtigkeit) etwa 10% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 5% betragen.
Zur Bildung des Gehäuses kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden, wie Metalle, Kunststoffe, Keramik usw. In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse zum Beispiel eine oder mehrere Schichten aus einem Metall, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse eine oder mehrere Schichten aus einem keramischen Material, wie Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Glas usw. sowie Kombinationen davon, umfassen.
Das Gehäuse kann jede beliebige Form haben, wie zylindrisch, D-förmig, rechteckig, dreieckig, prismatisch usw. In den 1–2 ist zum Beispiel eine Ausführungsform einer Kondensatorbaugruppe 100 gezeigt, die ein Gehäuse 122 und ein Kondensatorelement 120 enthält. In dieser besonderen Ausführungsform ist das Gehäuse 122 im Wesentlichen rechteckig. Typischerweise haben das Gehäuse und das Kondensatorelement dieselbe oder eine ähnliche Form, so dass das Kondensatorelement leicht im Innenraum untergebracht werden kann. In der gezeigten Ausführungsform zum Beispiel haben sowohl das Kondensatorelement 120 als auch das Gehäuse 122 eine im Wesentlichen rechteckige Form.
Wie erwähnt, kann die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung eine relativ hohe volumetrische Effizienz aufweisen. Um diese hohe Effizienz zu erleichtern, nimmt das Kondensatorelement typischerweise einen wesentlichen Teil des Volumens des Innenraums des Gehäuses ein. Zum Beispiel kann das Kondensatorelement etwa 30 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Vol.-% bis etwa 98 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Vol.-% bis 97 Vol.-% des Innenraums des Gehäuses einnehmen. Zu diesem Zweck ist die Differenz zwischen den Abmessungen des Kondensatorelements und denjenigen des durch das Gehäuse definierten Innenraums typischerweise relativ gering.
Wenn wir uns zum Beispiel auf die 1–2 beziehen, so hat das Kondensatorelement 120 der 1–2 eine Länge, die zwischen den Randteilen 177 und 179 definiert ist (ausschließlich der Länge des Anodenanschlusses 6). Ebenso hat der Innenraum 126 eine Länge, die zwischen Innenflächen des ersten und des zweiten Randteils 107 bzw. 109 definiert ist. Typischerweise liegt das Verhältnis der Länge der Anode zur Länge des Innenraums im Bereich von etwa 0,40 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,50 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis 0,99 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,98. Zum Beispiel kann das Kondensatorelement 120 eine Länge von etwa 5 bis etwa 10 Millimetern aufweisen, und der Innenraum 126 kann eine Länge von etwa 6 bis etwa 15 Millimetern aufweisen. Ähnlich kann das Verhältnis der Höhe des Kondensatorelements 120 (in -z-Richtung) zur Höhe des Innenraums 126 im Bereich von etwa 0,40 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,50 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis etwa 0,99 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,98 liegen. Das Verhältnis der Breite des Kondensatorelements 120 (in -x-Richtung) zur Breite des Innenraums 126 kann auch im Bereich von etwa 0,50 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,80 bis etwa 0,98 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,85 bis etwa 0,95 liegen. Zum Beispiel kann die Breite des Kondensatorelements 120 etwa 2 bis etwa 7 Millimeter betragen, und die Breite des Innenraums 126 kann etwa 3 bis etwa 10 Millimeter betragen, und die Höhe des Kondensatorelements 120 kann etwa 0,5 bis etwa 2 Millimeter betragen, und die Breite des Innenraums 126 kann etwa 0,7 bis etwa 6 Millimeter betragen.
Im Allgemeinen ist das Kondensatorelement so an dem Gehäuse befestigt, dass außerhalb des Gehäuses für die anschließende Integration in eine Schaltung ein Anoden-Endteil und ein Kathoden-Endteil gebildet werden. Die besondere Konfiguration der Endteile kann von dem Verwendungszweck abhängen. In einer Ausführungsform können Anschlussstifte eingesetzt werden, die sich durch einander gegenüberliegende Enden des Gehäuses hindurch erstrecken. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 1 beziehen, kann einer der Anschlussstifte (nicht gezeigt) so mit dem Anodenanschluss 6 verbunden (z. B. angeschweißt) werden, dass er sich durch eine Wand 124 des Gehäuses hindurch erstreckt, während ein anderer der Anschlussstifte (nicht gezeigt) mit der Kathode des Kondensatorelements 120 verbunden ist und sich durch eine Wand 124 hindurch erstreckt.
Während in bestimmten Ausführungsformen eine Anschlussstiftkonfiguration nützlich sein kann, haben die Erfinder herausgefunden, dass die Kondensatorbaugruppe auch so geformt werden kann, dass sie oberflächenmontierbar ist und dennoch mechanisch robust ist. Zum Beispiel kann der Anodenanschluss elektrisch mit äußeren, oberflächenmontierbaren Anoden- und Kathoden-Endteilen (z. B. Feldern, blechen, Platten, Rahmen usw.) verbunden sein. Solche Endteile können sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken, um den Kondensator anzuschließen. Die Dicke oder Höhe der Endteile wird im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke der Kondensatorbaugruppe minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter und etwa 0,1 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden die Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, und die Montagefläche wird auch mit einer Zinnlötschicht versehen. In einer anderen Ausführungsform werden bei den Endteilen dünne äußere Metallschichten (z. B. Gold) auf einer Grundmetallschicht (z. B. Kupferlegierung) abgeschieden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen können Verbindungselemente innerhalb des Innenraums des Gehäuses eingesetzt werden, um die Verbindung mit den Endteilen in einer mechanisch stabilen Weise zu erleichtern. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf die 1–2 beziehen, so kann die Kondensatorbaugruppe 100 ein Verbindungselement 162 umfassen, das aus einem ersten Teil 167 und einem zweiten Teil 165 besteht. Das Verbindungselement 162 kann aus leitfähigen Materialien ähnlich wie die äußeren Endteile bestehen. Der erste Teil 167 und der zweite Teil 165 können einstückig ausgebildet sein, oder es können separate Teile sein, die miteinander verbunden sind, entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall). In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der zweite Teil 165 in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung, in der sich der Anschluss 6 erstreckt (z. B. -y-Richtung), verläuft. Der erste Teil 167 ist in dem Sinne ”hochstehend”, dass er sich in einer Ebene befindet, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung, in der sich der Anschluss 6 erstreckt, verläuft. Auf diese Weise kann der erste Teil 167 die Bewegung des Anschlusses 6 in der horizontalen Richtung einschränken, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität während der Verwendung zu verstärken.
Der erste Teil 167 kann auch einen Montagebereich 151 besitzen (siehe 2), der mit einem Anodenanschluss 6 verbunden Ist. Der Bereich 151 kann eine ”U-Form” aufweisen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 6 weiter zu verstärken. Die Verbindung des Bereichs 151 mit dem Anschluss 6 kann mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken bewerkstelligt werden, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird der Bereich 151 zum Beispiel durch Laserschweißen an dem Anodenanschluss 6 befestigt. Unabhängig von der gewählten Technik kann der erste Teil 167 jedoch den Anodenanschluss 6 in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung halten, um die Maßhaltigkeit der Kondensatorbaugruppe 100 weiter zu verstärken.
Wenn wir uns wiederum auf 1 beziehen, so ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der das Verbindungselement 162 und das Kondensatorelement 120 über ein Anoden- und ein Kathoden-Endteil 127 bzw. 129 mit dem Gehäuse 122 verbunden ist. Insbesondere umfasst das Gehäuse 122 eine untere Wand 122 und zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 124, zwischen denen ein Hohlraum 126 gebildet ist, der das Kondensatorelement 120 umfasst. Die untere Wand 122 und die Seitenwände 124 können aus einer oder mehreren Schichten eines Metalls, Kunststoffs oder Keramikmaterials, wie es oben beschrieben ist, bestehen. In dieser besonderen Ausführungsform enthält das Anoden-Endteil 127 einen ersten Bereich 127a, der sich innerhalb des Gehäuses 122 befindet und elektrisch mit dem Verbindungselement 162 verbunden ist, und einen zweiten Bereich 127b, der sich außerhalb des Gehäuses 122 befindet und für eine Montagefläche 201 sorgt. Ähnlich enthält das Kathoden-Endteil 129 einen ersten Bereich 129a, der sich innerhalb des Gehäuses 122 befindet und elektrisch mit dem festen Elektrolyten des Kondensatorelements 120 verbunden ist, und einen zweiten Bereich 129b, der sich außerhalb des Gehäuses 122 befindet und für eine Montagefläche 203 sorgt.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass sich nicht der gesamte Teil solcher Bereiche innerhalb oder außerhalb des Gehäuses zu befinden braucht.
Die Verbindung der Endteile 127 und 129 kann unter Verwendung jeder in der Technik bekannten Methode erfolgen, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird zum Beispiel ein leitfähiger Kleber 131 verwendet, um den zweiten Teil 165 des Verbindungselements 162 mit dem Anoden-Endteil 127 zu verbinden. Ähnlich wird ein leitfähiger Kleber 133 verwendet, um die Kathode des Kondensatorelements 120 mit dem Kathoden-Endteil 129 zu verbinden. Die leitfähigen Kleber können aus leitfähigen Metallteilchen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind, bestehen. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z. B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z. B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Selbstverständlich können auch noch andere Techniken eingesetzt werden, um die Endteile anzuschließen. In alternativen Ausführungsformen zum Beispiel können die Endteile über leitfähige Bahnen, die sich durch das Gehäuse erstrecken, mit dem Gehäuse verbunden werden. Zur Bildung der Bahnen kann jedes leitfähige Material eingesetzt werden, wie ein leitfähiges Metall (z. B. Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Wolfram, Magnesium und Legierungen davon). Zu den besonders gut geeigneten leitfähigen Metallen gehören zum Beispiel Kupfer; Kupferlegierungen (z. B. Kupfer-Zirconium, Kupfer-Magnesium, Kupfer-Zink oder Kupfer-Eisen), Nickel und Nickellegierungen (z. B. Nickel-Eisen). Die Spuren können mit Hilfe jeder bekannten Technik gebildet werden, wie durch Drucken oder Auftragen einer Tinte, die das Metall enthält, auf eine Fläche des Gehäuses. Verschiedene Techniken, um Leitfähige Bahnen in einem Keramikgehäuse zu erhalten, sind ausführlicher in den US-Patenten Nr. 5,314,606 (Irie et al.) und 7,304,832 (Ushio et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2005/0167789 (Zhuang) und 2007/0138606 (Brailey) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Unabhängig davon, wie die Endteile verbunden werden, wird die resultierende Packung hermetisch versiegelt, wie es oben beschrieben ist. Wie zum Beispiel in 1 gezeigt ist, kann das Gehäuse 122 auch einen Deckel 125 umfassen, der auf einer oberen Fläche der Seitenwände 124 platziert wird, nachdem das Kondensatorelement 120 innerhalb des Gehäuses 122 positioniert ist. Der Deckel 125 kann aus Keramik, Metall (z. B. Eisen, Kupfer, Nickel, Cobalt usw. sowie Legierungen davon), Kunststoff usw. bestehen. In einer Ausführungsform zum Beispiel enthält der Deckel eine Kovar^®-Legierung (Carpenter Technology Corporation), bei der es sich um eine Nickel-Cobalt-Eisen-Legierung handelt. Die Größe des Gehäuses 122 ist im Allgemeinen so, dass der Deckel 125 nicht mit einer Fläche des Kondensatorelements 120 in Kontakt kommt, so dass er nicht kontaminiert wird. Wenn er in der gewünschten Position platziert ist, wird der Deckel 125 mit Hilfe von bekannten Techniken, wie Schweißen (z. B. Widerstandsschweißen, Laserschweißen usw.), Löten usw., hermetisch an den Seitenwänden 124 versiegelt. Das hermetische Versiegeln erfolgt im Allgemeinen in Gegenwart von Inertgasen, wie es oben beschrieben ist, so dass die resultierende Baugruppe im Wesentlichen frei von reaktiven Gasen, wie Sauerstoff oder Wasserdampf, ist.
Obwohl es nicht erforderlich ist, können in dem Gehäuse 122 auch andere Schichten und/oder Materialien eingesetzt werden. Zum Beispiel können auf der unteren Wand 122, den Seitenwänden 124 und/oder dem Deckel 125 ein oder mehrere Barriereelemente (nicht gezeigt) gebildet werden, um eine Beschädigung des Kondensatorelements 120 während des hermetischen Versiegelns der Baugruppe zu hemmen. Die Barriereelemente können aus beliebigen in der Technik bekannten Materialien gebildet werden, wie Antireflexionsmaterialien, die verhindern können, dass ein Laserstrahl reflektiert wird. Beispiele für solche Materialien sind etwa Polymere, wie Epoxidharze, Polyimide, Polyolefine (z. B. Polyethylen oder Polypropylen), die gegebenenfalls Füllstoffteilchen enthalten (z. B. Schwarzpigment).
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann die Kondensatorbaugruppe ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen, auch wenn sie Umgebungen mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. Zum Beispiel kann die Kondensatorbaugruppe einen äquivalenten Serienwiderstand (”ESR”) von weniger als etwa 50 Ohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 25 Ohm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 10 Ohm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 5 Ohm aufweisen, gemessen bei einer Betriebsfrequenz von 100 kHz. Außerdem kann der Leckstrom, der sich im Allgemeinen auf die Stromstärke bezieht, die von einem Leiter durch einen Isolator zu einem benachbarten Leiter fließt, auf relativ niedrigen Werten gehalten werden. Zum Beispiel beträgt der numerische Wert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,5 μA/μF·V und in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,1 μA/μF·V, wobei ”μA” Mikroampère bedeutet und μF·V das Produkt aus der Kapazität und der Nennspannung ist. Solche ESR- und normierten Leckstromwerte können sogar nach Alterung während einer erheblichen Zeitspanne bei hohen Temperaturen aufrechterhalten werden. Zum Beispiel können die Werte etwa 100 Stunden oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 300 Stunden bis etwa 3000 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 400 Stunden bis etwa 2500 Stunden (z. B. 500 Stunden, 600 Stunden, 700 Stunden, 800 Stunden, 900 Stunden, 1000 Stunden, 1100 Stunden, 1200 Stunden oder 2000 Stunden) bei Temperaturen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 225°C (z. B. 100°C, 125°C, 150°C, 175°C oder 200°C) aufrechterhalten werden.
Der Kondensator kann auch eine hohe Energiedichte aufweisen, so dass er zur Verwendung in Anwendungen mit hohem Pulsstrom geeignet sein kann. Die Energiedichte wird im Allgemeinen gemäß der Gleichung E = 1/2·CV² bestimmt, wobei C die Kapazität in Farad (F) ist und V die Arbeitsspannung des Kondensators in Volt (V) ist. Die Kapazität kann zum Beispiel mit einem Kapazitätsmessgerät (z. B. Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen, 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal) bei Arbeitsfrequenzen von 120 Hz und einer Temperatur von 25°C gemessen werden. Zum Beispiel kann der Kondensator eine Energiedichte von etwa 2,0 Joule pro Kubikzentimeter (J/cm³) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 3,0 J/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 4,0 J/cm³ bis etwa 10,0 J/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 4,5 bis etwa 8,0 J/cm³ aufweisen. Ebenso kann die Kapazität etwa 1 Millifarad pro Quadratzentimeter (^πmF/cm²ⁿ) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 mF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 50 mF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 8 bis etwa 20 mF/cm² betragen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Testverfahren
Leckstrom:
Der Leckstrom (”DCL”) wurde mit einer Leckstrom-Testeinrichtung gemessen, die den Leckstrom bei einer Temperatur von 25°C und der Nennspannung nach mindestens 20 Sekunden misst.
Kapazität
Die Kapazität wurde mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Beispiel 1
Eine Tantalanode mit einer Größe von 5,2 mm (Länge) × 3,7 mm (Breite) × 0,85 mm (Höhe) wurde bei 120 V in einem flüssigen Elektrolyten auf 10 μF anodisiert. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anode in dispergiertes Poly(3,4-ethylendeoxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% (CLEVIOS^TM K, H. C. Starck) eintauchte. Nach der Beschichtung wurde das Teil dann 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 6-mal wiederholt. Danach wurde das Teil in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% eingetaucht und 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Wiederum wurde dieser Vorgang 6-mal wiederholt. Externe Kohlenstoff- und Silberbeschichtungen wurden gebildet, um das Herstellungsverfahren der Anoden zu beenden.
Ein Standard-Leiterrahmen auf Kupferbasis wurde verwendet, um den Bauvorgang zu beenden. Ein Teil des Leiterrahmens wurde mit einem Silberkleber an der unteren Fläche des Kondensatorelements befestigt. Dann wurde der Tantaldraht des Kondensatorelements durch Laserschweißen an einem anderen Teil des Leiterrahmens befestigt.
Es wurden auch Keramikgehäuse von Kyocera America, Inc. in San Diego, Kalifornien, unter dem Namen ”Cap Pak” erhalten. Das Gehäuse hatte eine innere Länge von 9,0 mm, eine Breite von 4,0 mm und eine Höhe von 1,5 mm mit vergoldeten Lötpunkten am unteren inneren Teil des Keramikgehäuses. Der Leiterrahmen wurde zuerst auf ein Gold-Anoden-Endteil innerhalb des Behälters geklebt, und danach wurde der Kathodenteil des Kondensators auf ein Gold-Kathoden-Endteil geklebt. Bei dem für die Endteile eingesetzten Kleber handelte es sich um silberbeladene Epoxidharze. Dann wurde die resultierende Baugruppe 60 Minuten lang in einem auf 150°C voreingestellten Konvektionsofen erhitzt, um den Kleber zu härten. Nach dem Härten wurde ein Kovar^®-Metalldeckel mit einer Länge von 9,95 mm, einer Breite von 4,95 mm und einer Dicke von 0,10 mm über der Oberseite des Behälters dicht auf den Dichtungsring des Keramikgehäuses (Kovar^®-Ring mit einer Dicke von 0,30 mm) platziert, so dass es keinen direkten Kontakt zwischen der Innenfläche des Deckels und der Außenfläche des befestigten Kondensators gab. Die resultierende Baugruppe wurde in eine Schweißkammer gebracht und 120 Minuten lang mit Stickstoffgas gespült, bevor ein Nahtschweißen zwischen dem Dichtungsring und dem Deckel durchgeführt wurde. Nach dem Nahtschweißen wurde kein zusätzliches Einbrennen oder Flicken durchgeführt.
Beispiel 2
Eine Tantalanode mit einer Größe von 1,8 mm × 2,4 mm × 1,2 mm wurde bei 16 V in einem flüssigen Elektrolyten auf 150 μF anodisiert. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anode 5 Minuten lang in eine Butanollösung von Eisen(III)toluolsulfonat (CLEVIOS^TM C, H. C. Starck) und danach 1 Minute lang in 3,4-Ethylendioxythiophen (CLEVIOS^TM M, H. C. Starck) eintauchte. Nach 45 Minuten Polymerisation hatte sich eine dünne Schicht von Poly-3,4-ethylendioxythiophen auf der Oberfläche des Dielektrikums gebildet. Die Teile wurden in Methanol gewaschen, um Reaktionsnebenprodukte zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und wiederum in Methanol gewaschen. Der Polymerisationszyklus wurde 12-mal wiederholt. Dann wurden die Teile mit Graphit und Silber beschichtet und in einem Keramikgehäuse zusammengefügt, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist.

Zum Testen der Lebensdauer wurden die Teile von Beispiel 1 und 2 in einen Ofen bei 125°C (mit einer angelegten Spannung, die gleich der Nennspannung war) und bei 200°C (mit einer angelegten Spannung, die gleich 50% der Nennspannung war) gegeben. Die Teile wurden auch in einen Ofen bei 215°C und 230°C (ohne angelegte Spannung) gegeben. Nach 500 Stunden jedes Tests wurden der Leckstrom (DCL), der äquivalente Serienwiderstand (ESR) und die Kapazität der Teile bei Raumtemperatur (23°C ± 2°C) bestimmt, um zu überprüfen, ob das Teil einen Abbau gezeigt hat. Die Ergebnisse sind im Folgenden in Tabelle 1 und 2 dargelegt. Tabelle 1: Lebensdauertests bei 125°C oder 200°C (angelegte Spannung)

Beispiel	Bedingungen		vor dem Testen			nach dem Testen
Beispiel	Temp [°C]	Spannung	DCL [μA]	CAP [μF]	ESR [mΩ]	DCL [μA]	CAP [μF]	ESR [mΩ]
1	125	Nennspannung	5,8	8,2	143	0,6	8,2	138
1	200	50% der Nennspannung	22,0	8,3	128	55,4	8,1	171
2	125	Nennspannung	11,8	138,0	172	82,9	134,4	268
2	200	50% der Nennspannung	entfällt

Tabelle 2: Lebensdauertests bei 215°C oder 230°C ohne angelegte Spannung

Beispiel	Bedingungen		vor dem Testen			nach dem Testen
Beispiel	Temp [°C]	Spannung	DCL [μA]	CAP [μF]	ESR [mQ]	DCL [μA]	CAP [μF]	ESR [mQ]
1	215	-	1,8	8,5	367	1,8	9,0	383
1	230	-	0,3	8,4	327	0,6	9,0	353
2	215	-	53,6	144,0	68	18,9	43,1	8000
2	230	-	14,5	144,0	83	8,3	10,6	156000

Wie in beiden Tabellen und insbesondere in Tabelle 2 angegeben ist, waren der ESR und der Leckstrom der mit einer Dispersion von PEDT-Teilchen gebildeten Proben (Beispiel 1) nach den Lebensdauertests signifikant geringer als bei den mit anschließend aufgetragenem PEDT gebildeten Proben.
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.

1. Kondensatorbaugruppe, umfassend: ein Kondensatorelement, das eine aus einem anodisch oxidierten, gesinterten porösen Körper gebildete Anode und einen die Anode bedeckenden festen Elektrolyten umfasst, wobei der feste Elektrolyt aus einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen gebildet wird; ein Gehäuse, das einen Innenraum definiert, innerhalb dessen das Kondensatorelement positioniert ist, wobei das Gehäuse einen Innenraum definiert, der eine Gasatmosphäre aufweist, die ein Inertgas enthält; ein Anoden-Endteil, das in elektrischer Verbindung mit dem Anodenkörper steht; und ein Kathoden-Endteil, das in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten steht.
2. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei die leitfähigen Polymerteilchen ein substituiertes Polythiophen mit der folgenden allgemeinen Struktur umfassen:
wobei T = O oder S ist; D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest ist; R₇ ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁₄-Arylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest ist; und q eine ganze Zahl von 0 bis 8 ist; und n = 2 bis 5000 ist.
3. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 2, wobei das substituierte Polythiophen die folgende allgemeine Struktur aufweist:
4. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei die leitfähigen Polymerteilchen Poly(3,4-ethylendioxythiophen) umfassen.
5. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei die leitfähigen Polymerteilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 200 Nanometer aufweisen.
6. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei der feste Elektrolyt weiterhin ein Gegenion umfasst.
7. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 6, wobei das Gegenion ein monomeres oder polymeres Anion umfasst.
8. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 7, wobei das Gegenion eine Polystyrolsulfonsäure umfasst.
9. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei der feste Elektrolyt weiterhin ein Bindemittel umfasst.
10. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei der poröse Körper aus Tantal oder Nioboxid gebildet ist.
11. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei der gesinterte poröse Körper formstabil ist.
12. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Kondensatorelement etwa 30 Vol.-% oder mehr des Innenraums einnimmt.
13. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Verhältnis der Länge der Anode zur Länge des Innenraums etwa 0,40 bis etwa 1,00 beträgt.
14. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Verhältnis der Höhe der Anode zur Höhe des Innenraums etwa 0,40 bis etwa 1,00 beträgt.
15. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Verhältnis der Breite der Anode zur Breite des Innenraums etwa 0,80 bis etwa 0,99 beträgt.
16. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Gehäuse und die Anode eine im Wesentlichen rechteckige Form haben.
17. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Inertgas Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon oder Kombinationen davon umfasst.
18. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei Inertgase etwa 50 Gew.-% bis 100 Gew.-% der Gasatmosphäre ausmachen.
19. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei Sauerstoff weniger als etwa 1 Gew.-% der Gasatmosphäre ausmacht.
20. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei der Anoden- und der Kathoden-Endteil oberflächenmontierbar sind.
21. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, die weiterhin einen Anschluss umfasst, der sich vom porösen Körper der Anode in Längsrichtung weg erstreckt, wobei sich der Anschluss innerhalb des Innenraums des Gehäuses befindet.
22. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 21, die weiterhin ein Verbindungselement umfasst, das einen ersten Teil enthält, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Anodenanschlusses verläuft und damit verbunden ist.
23. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 22, wobei das Verbindungselement weiterhin einen zweiten Teil enthält, der im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung, in der sich der Anodenanschluss erstreckt, verläuft.
24. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 23, wobei sich der zweite Teil innerhalb des Gehäuses befindet.
25. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei sich ein erster Bereich des Anoden-Endteils innerhalb des Gehäuses befindet und sich ein zweiter Bereich des Anoden-Endteils außerhalb des Gehäuses befindet.
26. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei sich ein erster Bereich des Kathoden-Endteils innerhalb des Gehäuses befindet und sich ein zweiter Bereich des Kathoden-Endteils außerhalb des Gehäuses befindet.
27. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Gehäuse einen Deckel umfasst, der an einander gegenüberliegende Seitenwände geschweißt oder gelötet ist.
28. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Gehäuse ein Keramik- oder Kunststoffmaterial umfasst.
29. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Gehäuse ein Metall umfasst.
30. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei die Kondensatorbaugruppe eine Durchschlagsspannung von etwa 60 Volt oder mehr aufweist.
31. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei die Kondensatorbaugruppe eine Durchschlagsspannung von etwa 100 Volt oder mehr aufweist.
32. Kondensatorbaugruppe gemäß dem obigen Punkt 1, wobei das Kondensatorelement frei von einem harzartigen Einbettungsmittel ist.
33. Verfahren zur Bildung einer Kondensatorbaugruppe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden eines Kondensatorelements nach einem Verfahren, das das anodische Oxidieren eines gesiriterten porösen Körpers unter Bildung einer Anode und das Auftragen einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen auf die Anode unter Bildung eines festen Elektrolyten umfasst; Positionieren des Kondensatorelements innerhalb eines Innenraums des Gehäuses; elektrisches Verbinden der Anode des Kondensatorelements mit einem Anoden-Endteil und des festen Elektrolyten des Kondensatorelements mit einem Kathoden-Endteil; und hermetisches Versiegeln des Kondensatorelements innerhalb des Gehäuses in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält.
34. Verfahren gemäß dem obigen Punkt 33, wobei der feste Elektrolyt im Wesentlichen frei von durch in-situ-Polymerisation gebildeten leitfähigen Polymeren ist.
35. Verfahren gemäß dem obigen Punkt 33, wobei die Anode in die Dispersion eingetaucht wird.
36. Verfahren gemäß dem obigen Punkt 33, wobei die leitfähigen Polymerteilchen etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% der Dispersion ausmachen.

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

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309 [0015]

Claims

Kondensatorbaugruppe, umfassend: ein Kondensatorelement, das eine aus einem anodisch oxidierten, gesinterten porösen Körper gebildete Anode und einen die Anode bedeckenden festen Elektrolyten umfasst, wobei der feste Elektrolyt aus einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen gebildet wird; ein Gehäuse, das einen Innenraum definiert, innerhalb dessen das Kondensatorelement positioniert ist, wobei das Gehäuse einen Innenraum definiert, der eine Gasatmosphäre aufweist, die ein Inertgas enthält; ein Anoden-Endteil, das in elektrischer Verbindung mit dem Anodenkörper steht; und ein Kathoden-Endteil, das in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten steht.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 1, wobei die leitfähigen Polymerteilchen ein substituiertes Polythiophen mit der folgenden allgemeinen Struktur umfassen:
wobei T = O oder S ist; D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest ist; R₇ ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁₄-Arylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest, ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest ist; und q eine ganze Zahl von 0 bis 8 ist; und n = 2 bis 5000 ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 2, wobei das substituierte Polythiophen die folgende allgemeine Struktur aufweist:
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitfähigen Polymerteilchen Poly(3,4-ethylendioxythiophen) umfassen.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitfähigen Polymerteilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 200 Nanometer aufweisen.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt weiterhin ein Gegenion umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 6, wobei das Gegenion eine Polystyrolsulfonsäure umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der poröse Körper aus Tantal oder Nioboxid gebildet ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kondensatorelement etwa 30 Vol.-% oder mehr des Innenraums einnimmt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Länge der Anode zur Länge des Innenraums etwa 0,40 bis etwa 1,00 beträgt, das Verhältnis der Höhe der Anode zur Höhe des Innenraums etwa 0,40 bis etwa 1,00 beträgt und das Verhältnis der Breite der Anode zur Breite des Innenraums etwa 0,80 bis etwa 0,99 beträgt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Inertgas Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon oder Kombinationen davon umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Inertgase etwa 50 Gew.-% bis 100 Gew.-% der Gasatmosphäre ausmachen und Sauerstoff weniger als etwa 1 Gew.-% der Gasatmosphäre ausmacht.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin einen Anschluss umfasst, der sich vom porösen Körper der Anode in Längsrichtung weg erstreckt, wobei sich der Anschluss innerhalb des Innenraums des Gehäuses befindet.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 13, die weiterhin ein Verbindungselement umfasst, das einen ersten Teil enthält, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Anodenanschlusses verläuft und damit verbunden ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 14, wobei das Verbindungselement weiterhin einen zweiten Teil enthält, der im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung, in der sich der Anodenanschluss erstreckt, verläuft.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 15, wobei sich der zweite Teil innerhalb des Gehäuses befindet.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich ein erster Bereich des Anoden-Endteils innerhalb des Gehäuses befindet und sich ein zweiter Bereich des Anoden-Endteils außerhalb des Gehäuses befindet und wobei sich ein erster Bereich des Kathoden-Endteils innerhalb des Gehäuses befindet und sich ein zweiter Bereich des Kathoden-Endteils außerhalb des Gehäuses befindet.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse einen Deckel umfasst, der an einander gegenüberliegende Seitenwände geschweißt oder gelötet ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Gehäuse ein Keramik- oder Kunststoffmaterial umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Gehäuse ein Metall umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorbaugruppe eine Durchschlagsspannung von etwa 60 Volt oder mehr und vorzugsweise etwa 100 Volt oder mehr aufweist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kondensatorelement frei von einem harzartigen Einbettungsmittel ist.
Verfahren zur Bildung einer Kondensatorbaugruppe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden eines Kondensatorelements nach einem Verfahren, das das anodische Oxidieren eines gesinterten porösen Körpers unter Bildung einer Anode und das Auftragen einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen auf die Anode unter Bildung eines festen Elektrolyten umfasst; Positionieren des Kondensatorelements innerhalb eines Innenraums des Gehäuses; elektrisches Verbinden der Anode des Kondensatorelements mit einem Anoden-Endteil und des festen Elektrolyten des Kondensatorelements mit einem Kathoden-Endteil; und hermetisches Versiegeln des Kondensatorelements innerhalb des Gehäuses in Gegenwart einer Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der feste Elektrolyt im Wesentlichen frei von durch in-situ-Polymerisation gebildeten leitfähigen Polymeren ist.