DE102013214126A1

DE102013214126A1 - Festelektrolytkondensator mit verbesserten Eigenschaften bei hohen Spannungen

Info

Publication number: DE102013214126A1
Application number: DE102013214126.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Petrzilek; Martin Biler
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2014-01-23
Also published as: US20140022704A1; US9548163B2; CN103578777B; CN103578777A; JP2014022749A; US20170148577A1; US10121600B2; JP6370535B2

Abstract

Ein Festelektrolytkondensator, der eine gesinterte poröse Anode, eine dielektrische Schicht, die die Anode bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, umfasst, wird bereitgestellt. Die Anode wird aus einem feinteiligen Pulver (z. B. sphärolithisch oder winklig) mit einer relativ hohen spezifischen Ladung gebildet. Trotz der Verwendung von Pulvern mit einer solchen hohen spezifischen Ladung können hohe Spannungen durch eine Kombination von Merkmalen, die sich auf die Bildung der Anode und des festen Elektrolyten beziehen, erreicht werden. Zum Beispiel können relativ hohe Pressdichten und Sintertemperaturen eingesetzt werden, um relativ große ”Sinterbrücken” zwischen benachbarten agglomerierten Teilchen zu erreichen, welche die dielektrische Schicht in der Nähe der Brücke weniger anfällig für Versagen bei hohen Formierungsspannungen macht. Die Art und Weise, in der der feste Elektrolyt gebildet wird, ist ebenfalls hilfreich, damit der resultierende Kondensator bei hohen Spannungen arbeiten kann, und zwar wird der feste Elektrolyt aus einer Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen gebildet, die die Verwendung von energiereichen Radikalen (z. B. Fe2 +- oder Fe3+-Ionen), die ansonsten zu einem Abbau des Dielektrikums führen können, minimieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) werden typischerweise dadurch gebildet, dass man ein Metallpulver (z. B. Tantal) um einen Metallanschlussdraht herum presst, den gepressten Teil sintert, die gesinterte Anode anodisiert und danach einen festen Elektrolyten aufträgt. Wenn hohe Spannungen zu erwarten sind, wie sie während eines schnellen Anschaltens oder als Betriebsstromspitzen auftreten, ist es im Allgemeinen notwendig, nur bestimmte Typen von Materialien bei der Kondensatorgestaltung einzusetzen. Zum Beispiel wird die Anode von herkömmlichen Hochspannungskondensatoren aus einem Flockenpulver gebildet, das eine spezische Ladung aufweist, die typischerweise im Bereich von etwa 10000 bis etwa 15000 μF·V/g liegt. Leider weisen solche Materialien auch eine relativ geringe spezifische Oberfläche auf, was die Kapazität, die erreicht werden kann, erheblich einschränkt. Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Festelektrolytkondensator, der verbesserte Eigenschaften in Hochspannungsumgebungen aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der eine gesinterte poröse Anode, eine dielektrische Schicht, die den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, umfasst. Die Anode wird aus einem feinteiligen Pulver mit einer spezifischen Ladung von mehr als etwa 30000 μF·V/g gebildet, und das Pulver enthält Teilchen mit einer dreidimensionalen Form. Der feste Elektrolyt umfasst eine Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen. Der Kondensator weist eine Durchschlagspannung von etwa 60 V oder mehr auf.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Pressen eines feinteiligen Pulvers in Form eines Presslings, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von mehr als etwa 30000 μF·V/g aufweist und Teilchen mit einer dreidimensionalen Form enthält; das Sintern des Presslings; das anodische Oxidieren des gesinterten Presslings unter Bildung einer dielektrischen Schicht, die die Anode bedeckt; und das Auftragen einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen auf die dielektrische Schicht.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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 ist:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kondensators, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet 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 einen Festelektrolytkondensator, der eine gesinterte poröse Anode, eine dielektrische Schicht, die die Anode bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, umfasst. Die Anode wird aus einem feinteiligen Pulver (z. B. sphärolithisch oder winklig) mit einer relativ hohen spezifischen Ladung, wie mehr als etwa 30000 Mikrofarad·Volt pro Gramm (”μF·V/g”), in einigen Ausführungsformen etwa 32000 bis etwa 80000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 33000 bis etwa 60000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 35000 bis etwa 45000 μF·V/g, gebildet. Wie in der Technik bekannt ist, kann die spezifische Ladung dadurch bestimmt werden, dass man die Kapazität mit der eingesetzten Anodisierungsspannung multipliziert und das Produkt dann durch das Gewicht des anodisierten Elektrodenkörpers dividiert. Das feinteilige Pulver enthält auch Primärteilchen, die eine dreidimensionale Form, wie eine sphärolithische oder winklige Form, aufweisen. Solche Teilchen sind nicht im Wesentlichen flach und weisen also ein relativ geringes ”Aspektverhältnis” auf, bei dem es sich um den mittleren Durchmesser oder die mittlere Breite der Teilchen, dividiert durch die mittlere Dicke (”D/T”), handelt. Zum Beispiel kann das Aspektverhältnis der Teilchen etwa 4 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 2 betragen.
Trotz der Verwendung von Pulvern mit einer solchen hohen spezifischen Ladung und mit dreidimensionalen Teilchen haben die Erfinder dennoch herausgefunden, dass die Fähigkeit, hohe Spannungen zu erreichen, durch eine einzigartige und gezielte Kombination von Merkmalen, die sich auf die Bildung der Anode und des festen Elektrolyten beziehen, erreicht werden kann. Insbesondere können relativ hohe Pressdichten und Sintertemperaturen eingesetzt werden, um relativ große ”Sinterbrücken” zwischen benachbarten agglomerierten Teilchen zu erreichen. Sinterbrücken sind die kleine Querschnittsfläche des Stromweges innerhalb der Metallstruktur. Typischerweise haben die Sinterbrücken eine Größe von etwa 200 Nanometer oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 250 Nanometer oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 300 bis etwa 800 Nanometer. Da die Brücken relativ groß sind, ist es wahrscheinlicher, dass die dielektrische Schicht in der Nähe der Brücke bei hohen Formierungsspannungen nicht versagt. Neben der Anode ist auch die Art und Weise, in der der feste Elektrolyt gebildet wird, hilfreich, damit der resultierende Kondensator bei hohen Spannungen arbeiten kann, und zwar wird der feste Elektrolyt aus einer Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen gebildet. Solche Teilchen können die Verwendung von energiereichen Radikalen (z. B. Fe²⁺- oder Fe³⁺-Ionen), die ansonsten zu einem Abbau des Dielektrikums, insbesondere bei den oben erwähnten hohen Spannungen, führen können, minimieren.
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann der resultierende Kondensator also in Hochspannungsanwendungen, wie Nennspannungen von etwa 35 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 60 Volt bis etwa 200 Volt, eingesetzt werden. Der Kondensator kann zum Beispiel eine relativ hohe ”Durchschlagspannung” (Spannung, bei der der Kondensator versagt) aufweisen, wie etwa 60 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt bis etwa 300 Volt. Ebenso kann der Kondensator auch fähig sein, relativ hohe Stoßströme, die in Hochspannungsanwendungen ebenfalls häufig auftreten, auszuhalten. Die Spitzenstoßstromstärke kann zum Beispiel etwa 100 Ampère oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 Ampère oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 300 Ampère bis etwa 800 Ampère betragen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher beschrieben.
I. Anode
Zur Bildung der Anode wird ein feinteiliges Pulver einer Ventilmetallzusammensetzung eingesetzt. Die Ventilmetallzusammensetzung enthält im Allgemeinen 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 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 (Kimmel 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.
Die Teilchen können auch eine spezifische Oberfläche von etwa 0,5 bis etwa 10,0 m²/g, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 bis etwa 5,0 m²/g und in einigen Ausführungsformen etwa 1,0 bis etwa 4,0 m²/g aufweisen. Der Ausdruck ”spezifische Oberfläche” bezieht sich allgemein auf die Oberfläche, die durch das Verfahren der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.) von Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas bestimmt wurde. Der Test kann mit einem MONOSORB^® Specific Surface Area Analyzer durchgeführt werden, der von der QUANTACHROME Corporation, Syosset, NY, erhältlich ist und die Menge des adsorbierbaren Stickstoffgases, das auf einer festen Oberfläche adsorbiert wird, misst, indem er auf die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines strömenden Gemischs aus Adsorbat und inertem Trägergas (z. B. Helium) reagiert. Die Schüttdichte (auch als Scott-Dichte bekannt) beträgt ebenfalls typischerweise etwa 0,1 bis etwa 2 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³), in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 g/cm³ bis etwa 1,5 g/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 g/cm³ bis etwa 1 g/cm³ betragen. Die ”Schüttdichte” kann mit Hilfe eines Rieselmesstrichters und eines Dichtebechers bestimmt werden. Insbesondere kann die Flockenprobe durch den Trichter in den Becher gegossen werden, bis die Probe den Becher vollständig füllt und über den Rand des Bechers rieselt, und danach kann die Probe mit einem Spatel abgeplattet werden, ohne zu rütteln, so dass sie mit der Oberseite des Bechers gerade abschließt. Die abgeplattete Probe wird auf eine Waage übergeführt und auf 0,1 Gramm genau gewogen, um den Dichtewert zu bestimmen. Eine solche Apparatur ist von der Alcan Aluminum Corp. in Elizabeth, New Jersey, kommerziell erhältlich. In bestimmten Ausführungsformen können die Teilchen auch eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 250 Mikrometer haben, in einigen Ausführungsformen etwa 30 bis etwa 150 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 40 bis etwa 100 Mikrometer.
In der vorliegenden Erfindung können auch verschiedene andere herkömmliche Behandlungen eingesetzt werden, um die Eigenschaften des Pulvers zu verbessern. Zum Beispiel kann das Pulver in bestimmten Ausführungsformen in Gegenwart eines Dotierungsmittels, wie wässrigen Säuren (z. B. Phosphorsäure), mit Sinterverzögerern dotiert werden. Die hinzugefügte Menge des Dotierungsmittels hängt zum Teil von der spezifischen Oberfläche des Pulvers ab, aber typischerweise ist es in einer Menge von nicht mehr als etwa 200 ppm vorhanden. Das Dotierungsmittel kann vor, während und/oder nach irgendwelchen Wärmebehandlungsschritten hinzugefügt werden. Das Pulver kann auch einer oder mehreren Deoxidationsbehandlungen unterzogen werden, um die Duktilität zu verbessern und den Leckstrom in den Anoden zu reduzieren. Zum Beispiel kann das Pulver einem Gettermaterial (z. B. Magnesium) ausgesetzt werden, wie es im US-Patent Nr. 4,960,471 beschrieben ist. Das Gettermaterial kann in einer Menge von etwa 2 bis etwa 6 Gew.-% vorhanden sein. Die Temperatur, bei der die Deoxidation erfolgt, kann variieren, liegt aber typischerweise im Bereich von etwa 700°C bis etwa 1600°C, in einigen Ausführungsformen etwa 750°C bis etwa 1200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 800°C bis etwa 1000°C. Die Gesamtzeit der Deoxidationsbehandlung(en) kann im Bereich von etwa 20 Minuten bis etwa 3 Stunden liegen. Die Deoxidation erfolgt auch vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre (z. B. Argon). Nach Beendigung der Deoxidationsbehandlung(en) verdampft das Magnesium oder das andere Gettermaterial typischerweise und bildet einen Niederschlag an der kalten Wand des Ofens. Um die Entfernung des Gettermaterials zu gewährleisten, können die feinen Agglomerate und/oder groben Agglomerate aber auch einem oder mehreren Säurebehandlungsschritten, wie etwa mit Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure usw., unterzogen werden.
Um den Aufbau der Anode zu erleichtern, können auch bestimmte zusätzliche Komponenten in das Pulver mit aufgenommen werden. Zum Beispiel kann das Pulver gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie unter Bildung des Anodenkörpers verpresst werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenglycol (z. B. Carbowax von Dow Chemical Co.), Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, hochmolekulare Polyether; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Fluorolefin-Copolymere, Acrylpolymere, wie Natriumpolyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und Copolymere von Niederalkylacrylaten und -methacrylaten; sowie Fettsäuren und Wachse, wie Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Pflanzenwachs, Mikrowachse (gereinigte Paraffine) usw. Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und dispergiert werden. Beispielhafte Lösungsmittel sind etwa Wasser, Alkohole usw. Wenn sie verwendet werden, kann der Prozentsatz der Bindemittel und/oder Gleitmittel 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 zwingend erforderlich sind.
Das resultierende Pulver kann mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pulverpressvorrichtung unter Bildung eines Presslings kompaktiert werden. Zum Beispiel kann eine Pressform eingesetzt werden, bei der es sich um eine Einplatz-Kompaktierpresse handelt, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Das Pulver kann um einen Anodenanschlussdraht herum kompaktiert werden. Der Draht kann aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden davon und/oder Nitriden davon gebildet werden. 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.
Danach wird der Pressling unter Bildung einer porösen integralen Masse gesintert. Wie bereits erwähnt, wird vermutet, dass die Verwendung von relativ hohen Sintertemperaturen und Pressdichten dazu beiträgt, relativ große ”Sinterbrücken” zwischen den Teilchen zu erreichen, was die Fähigkeit des resultierenden Dielektrikums, hohe Spannungen auszuhalten, verbessern kann. Dabei liegt die Sintertemperatur typischerweise in einem Bereich von etwa 1300°C bis etwa 1800°C, in einigen Ausführungsformen etwa 1350°C bis etwa 1600°C und in einigen Ausführungsformen etwa 1400°C bis etwa 1500°C. Ebenso kann die Pressdichte in einem Bereich von etwa 4,5 bis etwa 7,0 Gramm pro Kubikzentimeter, in einigen Ausführungsformen von etwa 5,0 bis etwa 6,5 und in einigen Ausführungsformen von etwa 5,0 bis etwa 6,0 Gramm pro Kubikzentimeter liegen. Die Pressdichte wird dadurch bestimmt, dass man die Menge des Pulvers (vor dem Sintern) durch das Volumen des Presslings (vor dem Sintern) dividiert.
Die resultierende gesinterte Anode kann auch einen relativ niedrigen Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt aufweisen. Zum Beispiel kann es sein, dass die Anode nicht mehr als etwa 50 ppm Kohlenstoff und in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 10 ppm Kohlenstoff aufweist. Ebenso kann es sein, dass die Anode etwa 2000 bis etwa 10 000 ppm Sauerstoff, in einigen Ausführungsformen etwa 2500 bis etwa 6000 ppm Sauerstoff und in einigen Ausführungsformen etwa 3000 bis etwa 5000 ppm Sauerstoff aufweist. Der Sauerstoffgehalt kann mit einem LECO Oxygen Analyzer gemessen werden und umfasst Sauerstoff in natürlichem Oxid auf der Tantaloberfläche sowie Volumensauerstoff innerhalb der Tantalteilchen. Der Volumensauerstoffgehalt wird durch den Kristallgitterabstand des Tantals kontrolliert, der mit zunehmendem Sauerstoffgehalt im Tantal linear zunimmt, bis die Löslichkeitsgrenze erreicht ist. Dieses Verfahren wurde in "Critical Oxygen Content in Porous Anodes of Solid Tantalum Capacitors", Pozdeev-Freeman et al., Journal of materials Science: Materials in Electronics 9 (1998), 309–311, beschrieben, wobei Röntgenbeugungsanalyse (XRDA) eingesetzt wurde, um den Kristallgitterabstand des Tantals zu messen. Der Sauerstoff in gesinterten Tantalanoden kann auf dünnes natürliches Oberflächenoxid beschränkt sein, während das Volumen des Tantals praktisch frei von Sauerstoff ist.
Wie oben erwähnt, kann auch ein Anodenanschluss, der sich in Längsrichtung erstreckt, an dem Anodenkörper befestigt werden. Der Anodenanschluss kann in Form eines Drahtes, Bleches usw. vorliegen und kann aus einer Ventilmetallverbindung, 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).
II. Dielektrikum
Die Anode wird 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.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann die dielektrische Schicht in bestimmten Ausführungsformen insofern eine über die gesamte Anode unterschiedliche Dicke besitzen, als sie einen ersten Teil, der eine äußere Oberfläche der Anode bedeckt, und einen zweiten Teil, der eine innere Oberfläche der Anode bedeckt, besitzt. In solchen Ausführungsformen ist der erste Teil selektiv so geformt, dass seine Dicke größer ist als die des zweiten Teils. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Dicke der dielektrischen Schicht nicht innerhalb eines bestimmten Bereichs gleichmäßig zu sein braucht. Bestimmte Teile der dielektrischen Schicht, die an die äußere Oberfläche angrenzen, können zum Beispiel tatsächlich dünner sein als bestimmte Teile der Schicht auf der inneren Oberfläche und umgekehrt. Dennoch kann die dielektrische Schicht auch so gebildet sein, dass wenigstens ein Teil der Schicht auf der äußeren Oberfläche eine größere Dicke hat als wenigstens ein Teil auf der inneren Oberfläche. Obwohl der genaue Unterschied dieser Dicken je nach der besonderen Anwendung variieren kann, beträgt das Verhältnis der Dicke des ersten Teils zur Dicke des zweiten Teils typischerweise etwa 1,2 bis etwa 40, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 bis etwa 25 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20.
Zur Bildung einer dielektrischen Schicht mit einer unterschiedlichen Dicke wird im Allgemeinen ein Mehrstufenverfahren eingesetzt. In jeder Stufe des Verfahrens wird die gesinterte Anode unter Bildung einer dielektrischen Schicht (z. B. Tantalpentoxid) anodisch oxidiert (”anodisiert”). Während des ersten Stadiums der Anodisierung wird typischerweise eine relativ kleine Formierungsspannung eingesetzt, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums für den inneren Bereich erreicht wird, wie Formierungsspannungen im Bereich von etwa 1 bis etwa 90 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 50 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 Volt. Danach kann der gesinterte Körper dann in einem zweiten Stadium des Verfahrens anodisch oxidiert werden, um die Dicke des Dielektrikums auf das gewünschte Niveau zu erhöhen. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass in einem Elektrolyten bei einer höheren Spannung anodisiert wird, als sie während des ersten Stadiums eingesetzt wurde, wie bei Formierungsspannungen im Bereich von etwa 50 bis etwa 350 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 300 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 70 bis etwa 200 Volt. Während des ersten und/oder zweiten Stadiums kann der Elektrolyt auf einer Temperatur im Bereich von etwa 15°C bis etwa 95°C, in einigen Ausführungsformen etwa 20°C bis etwa 90°C und in einigen Ausführungsformen etwa 25°C bis etwa 85°C gehalten werden.
Die während des ersten und des zweiten Stadiums des Anodisierungsvorgangs eingesetzten Elektrolyte können gleich oder verschieden sein. Typischerweise ist es jedoch wünschenswert, verschiedene Lösungen einzusetzen, um das Erreichen einer größeren Dicke an den äußeren Teilen der dielektrischen Schicht zu erleichtern. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dass der im zweiten Stadium eingesetzte Elektrolyt eine geringere Ionenleitfähigkeit hat als der im ersten Stadium eingesetzte Elektrolyt, um zu verhindern, dass sich auf der inneren Oberfläche der Anode eine erhebliche Menge an Oxidschicht bildet. In dieser Hinsicht kann der während des ersten Stadiums eingesetzte Elektrolyt eine saure Verbindung, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., enthalten. Ein solcher Elektrolyt kann eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 100 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 20 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10 mS/cm aufweisen, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C. Der während des zweiten Stadiums eingesetzte Elektrolyt enthält typischerweise ein Salz einer schwachen Säure, so dass die Hydroniumionenkonzentration in den Poren infolge eines darin erfolgenden Ladungsdurchgangs zunimmt. Ionentransport oder -diffusion finden so statt, dass sich das Anion der schwachen Säure gemäß der Notwendigkeit, die elektrischen Ladungen auszugleichen, in die Poren bewegt. Als Ergebnis wird die Konzentration der hauptsächlichen leitfähigen Spezies (Hydronium-Ion) bei der Etablierung eines Gleichgewichts zwischen dem Hydroniumion, dem Säureanion und der undissoziierten Säure reduziert, und dadurch entsteht eine schlechter leitfähige Spezies. Die Reduktion der Konzentration der leitfähigen Spezies führt zu einem relativ hohen Spannungsabfall im Elektrolyten, was die weitere Anodisierung im Innern behindert, während auf der Außenseite eine dickere Oxidschicht bis zu einer höheren Formierungsspannung im Bereich der fortgesetzten hohen Leitfähigkeit aufgebaut wird. Zu den geeigneten Salzen schwacher Säuren gehören etwa zum Beispiel Ammonium- oder Alkalimetallsalze (z. B. Natrium, Kalium usw.) von Borsäure, Boronsäure, Essigsäure, Oxalsäure, Milchsäure, Adipinsäure usw. Besonders gut geeignete Salze sind Natriumtetraborat und Ammoniumpentaborat. Solche Elektrolyten weisen typischerweise eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 20 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 10 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 5 mS/cm auf, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C.
Falls gewünscht, kann jedes Stadium der Anodisierung durch einen oder mehrere Zyklen wiederholt werden, um die gewünschte Dicke des Dielektrikums zu erreichen. Weiterhin kann die Anode nach dem ersten und/oder dem zweiten Stadium auch mit einem anderen Lösungsmittel (z. B. Wasser) gespült oder gewaschen werden, um den Elektrolyten zu entfernen.
III. Fester Elektrolyt
Ein fester Elektrolyt bedeckt das Dielektrikum, das im Allgemeinen als Kathode für den Kondensator fungiert. Der feste Elektrolyt enthält ein leitfähiges Polymer, das typischerweise π-konjugiert ist und nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS/cm. Beispiele für solche π-konjugierten leitfähigen Polymere sind zum Beispiel Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw.), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw. In einer Ausführungsform ist das Polymer zum Beispiel ein substituiertes Polythiophen, wie solche mit der folgenden allgemeinen Struktur:
wobei
T = 0 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 C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z. B. Benzyl, o-, m-, p-Tolyl, 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 in 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.
Unabhängig von der besonderen Art des Polymers umfasst der feste Elektrolyt eine Vielzahl von vorpolymerisierten Teilchen, die in Form einer Dispersion aufgetragen werden. Ein Vorteil des Einsatzes einer Dispersion besteht darin, dass sie die Anwesenheit von ionischen Spezies (z. B. Fe²⁺ oder Fe³⁺), die bei der in-situ-Polymerisation entstehen, minimieren kann, was unter hoher elektrischer Feldstärke einen Zusammenbruch des Dielektrikums aufgrund von Ionenwanderung verursachen kann. Indem man also das leitfähige Polymer als Dispersion aufträgt und nicht durch in-situ-Polymerisation bildet, kann der resultierende Kondensator eine relativ hohe ”Durchschlagspannung” aufweisen. Um eine gute Imprägnierung der Anode zu ermöglichen, haben die in der Dispersion eingesetzten Teilchen typischerweise eine geringe Größe, wie eine mittlere Größe (z. B. Durchmesser) von etwa 1 bis etwa 150 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 50 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 40 Nanometer. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie durch eine Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden. Die Form der Teilchen kann ebenso variieren. In einer besonderen Ausführungsform sind die Teilchen zum Beispiel kugelförmig. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass auch andere Formen, wie Platten, Stäbe, Scheiben, Stangen, Rohre, unregelmäßige Formen usw., von der Erfindung in Betracht gezogen werden. 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 werden soll, variieren. Typischerweise jedoch machen die Teilchen 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 aus.
Die Dispersion enthält auch im Allgemeinen ein Gegenion, das die Stabilität der Teilchen erhöht. Das heißt, das leitfähige Polymer (z. B. Polythiophen oder ein Derivat davon) weist typischerweise eine Ladung auf der Hauptpolymerkette auf, die neutral oder positiv (kationisch) ist. Polythiophenderivate 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, das der Ladung des leitfähigen Polymers entgegenwirkt. 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 2000000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500000.
Wenn sie eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis solcher Gegenionen zu leitfähigen Polymeren in der Dispersion und 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 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, Polymethacrylsäureester, 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 und die Fähigkeit, diesen auf den Anodenteil aufzutragen, zu erleichtern. Zu den geeigneten Dispersionsmitteln gehören Lösungsmittel, wie aliphatische Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, i-Propanol 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 und Gemische beliebiger 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.
Es können auch grenzflächenaktive Substanzen in der Dispersion eingesetzt werden, wie ionische oder nichtionische Tenside. Weiterhin können auch Kleber eingesetzt werden, wie organofunktionelle Silane oder ihre Hydrolysate, zum Beispiel 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Merca ptopropyltrimethoxysilan, 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 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 100000 mPa·s (gemessen bei einer Scherrate von 100 s^–1), in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10000 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. Eine oder mehrere zusätzliche Schichten können ebenfalls in dieser Weise gebildet werden, um die gewünschte Dicke zu erreichen. Typischerweise beträgt die Gesamtdicke der durch diese Teilchendispersion gebildeten Schichten etwa 1 bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 μm. Das Gewichtsverhältnis von Gegenionen zu leitfähigen Polymeren beträgt ebenfalls 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.
Neben den vorpolymerisierten Teilchen kann der feste Elektrolyt gegebenenfalls auch andere Komponenten enthalten, wie ein hydroxyfunktionelles nichtionisches Polymer.
Der Ausdruck ”hydroxyfunktionell” bedeutet im Allgemeinen, dass die Verbindung wenigstens eine hydroxyfunktionelle Gruppe enthält oder eine solche funktionelle Gruppe in Gegenwart eines Lösungsmittels besitzen kann. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass hydroxyfunktionelle nichtionische Polymere den Grad des Kontakts zwischen den Polymerteilchen und der Oberfläche des internen Dielektrikums, die infolge höherer Formierungsspannungen typischerweise relativ glatt ist, verbessern können. Dadurch wird unerwarteterweise die Kapazität des resultierenden Kondensators bei tiefen Temperaturen erhöht. Weiterhin glauben wir, dass die Verwendung eines hydroxyfunktionellen Polymers mit einem bestimmten Molekulargewicht auch die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Zersetzung minimieren kann. Zum Beispiel kann das Molekulargewicht des hydroxyfunktionellen Polymers etwa 100 bis 10000 Gramm pro Mol, in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis 2000, in einigen Ausführungsformen etwa 300 bis etwa 1200 und in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 800 betragen.
Zu diesem Zweck können im Allgemeinen eine Vielzahl von hydroxyfunktionellen nichtionischen Polymeren eingesetzt werden. In einer Ausführungsform ist das hydroxyfunktionelle Polymer zum Beispiel ein Polyalkylenether. Polyalkylenether können Polyalkylenglycole (z. B. Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polytetramethylenglycole, Polyepichlorhydrine usw.), Polyoxetane, Polyphenylenether, Polyetherketone usw. umfassen. Polyalkylenether sind typischerweise vorwiegend lineare, nichtionische Polymere mit terminalen Hydroxygruppen. Besonders gut geeignet sind Polyethylenglycole, Polypropylenglycole und Polytetramethylenglycole (Polytetrahydrofurane), die durch Polyaddition von Ethylenoxid, Propylenoxid oder Tetrahydrofuran an Wasser hergestellt werden. Die Polyalkylenether können durch Polykondensationsreaktionen aus Diolen oder Polyolen hergestellt werden. Die Diolkomponente kann insbesondere aus gesättigten oder ungesättigten, verzweigten oder unverzweigten, aliphatischen Dihydroxyverbindungen, die 5 bis 36 Kohlenstoffatome enthalten, oder aromatischen Dihydroxyverbindungen, wie zum Beispiel Pentan-1,5-diol, Hexan-1,6-diol, Neopentylglycol, Bis(hydroxymethyl)cyclohexanen, Bisphenol A, Dimerdiolen, hydrierten Dimerdiolen oder auch Gemischen der genannten Diole ausgewählt sein. Außerdem können in der Polymerisationsreaktion auch mehrwertige Alkohole, einschließlich zum Beispiel Glycerin, Di- und Polyglycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit oder Sorbit, verwendet werden.
Neben den oben genannten können in der vorliegenden Erfindung auch andere hydroxyfunktionelle nichtionische Polymere eingesetzt werden. Einige Beispiele für solche Polymere sind zum Beispiel ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte oder propoxylierte C₆-C₂₄-Fettalkohole, Polyoxyethylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. Octaethylenglycolmonododecylether und Pentaethylenglycolmonododecylether); Polyoxypropylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₃H₆)_1-25-OH; Polyoxyethylenglycoloctylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₈H₁₇-(C₆H₄)-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. Triton^TM X-100); Polyoxyethylenglycolalkylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₉H₁₉-(C₆H₄)-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. Nonoxynol-9); Polyoxyethylenglycolester von C₈-C₂₄-Fettsäuren, wie Polyoxyethylenglycolsorbitanalkylester (z. B. Polyoxyethylen(20)sorbitanmonolaurat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonopalmitat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonostearat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonooleat, PEG-20-Methylglucosedistearat, PEG-20-Methylglucosesesquistearat, PEG-80-Ricinusöl und PEG-20-Ricinusöl, PEG-3-Ricinusöl, PEG-600-dioleat und PEG-400-dioleat) und Polyoxyethylenglycerinalkylester (z. B. Polyoxyethylen-23-glycerinlaurat und Polyoxyethylen-20-glycerinstearat); Polyoxyethylenglycolether von C₈-C₂₄-Fettsäuren (z. B. Polyoxyethylen-10-cetylether, Polyoxyethylen-10-stearylether, Polyoxyethylen-20-cetylether, Polyoxyethylen-10-oleylether, Polyoxyethylen-20-oleylether, Polyoxyethylen-20-isohexadecylether, Polyoxyethylen-15-tridecylether und Polyoxyethylen-6-tridecylether); Blockcopolymere von Polyethylenglycol und Polypropylenglycol (z. B. Poloxamere) usw. sowie Gemische davon.
Das hydroxyfunktionelle nichtionische Polymer kann auf vielerlei verschiedenen Wegen in den festen Elektrolyten eingebaut werden. In bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel kann das hydroxyfunktionelle Polymer einfach in beliebige Schichten eingebaut werden, die durch die oben beschriebene einleitende Dispersion gebildet werden. In solchen Ausführungsformen beträgt die Konzentration des hydroxyfunktionellen Polymers in der Dispersion typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%.
In anderen Ausführungsformen jedoch kann das hydroxyfunktionelle Polymer aufgetragen werden, nachdem die erste Polymerdispersion auf den Anodenkörper aufgetragen wird. In solchen Ausführungsformen kann die zum Auftragen des hydroxyfunktionellen Polymers verwendete Technik variieren. Zum Beispiel kann das Polymer mit Hilfe von verschiedenen Verfahren, wie Tauchen, Eintauchen, Gießen, Tropfen, Spritzen, Sprühen, Ausbreiten, Streichen oder Drucken, zum Beispiel durch Tintenstrahl-, Siebdruck oder Tampondruck, in Form einer flüssigen Lösung aufgetragen werden. In der Lösung können dem Fachmann bekannte Lösungsmittel, wie Wasser, Alkohole oder ein Gemisch davon, eingesetzt werden. Die Konzentration des hydroxyfunktionellen Polymers in einer solchen Lösung liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 15 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Lösung. Falls gewünscht, können solche Lösungen im Wesentlichen frei von leitfähigen Polymeren sein. Zum Beispiel können leitfähige Polymere etwa 2 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% oder weniger der Lösung ausmachen.
Alternativ dazu kann es jedoch auch wünschenswert sein, ein leitfähiges Polymer in Kombination mit dem hydroxyfunktionellen Polymer einzusetzen. Zum Beispiel wird in bestimmten Ausführungsformen eine zweite Polymerdispersion, die leitfähige Polymerteilchen und ein hydroxyfunktionelles Polymer enthält, auf die Anode aufgetragen, nachdem die ersten Schichten, die aus der ersten Polymerdispersion gebildet wurden, auf den Anodenkörper aufgetragen wurden. Die leitfähigen Teilchen der zweiten Polymerdispersion sind oben allgemein beschrieben, obwohl die nicht mit den in der ersten Polymerdispersion eingesetzten identisch sein müssen. Zum Beispiel können in der ersten und der zweiten Polymerdispersion Teilchen unterschiedlicher Größe und/oder chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden. Unabhängig davon beträgt die Konzentration des hydroxyfunktionellen Polymers in der zweiten Polymerdispersion typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%. Ebenso kann es in denjenigen Ausführungsformen, bei denen das hydroxyfunktionelle Polymer in einer zweiten Dispersion eingesetzt wird, auch wünschenswert sein, dass die erste Dispersion im Wesentlichen frei von solchen hydroxyfunktionellen nichtionischen Polymeren ist. Zum Beispiel können hydroxyfunktionelle Polymere etwa 2 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% oder weniger der ersten Polymerdispersion ausmachen. Einmal aufgetragen, kann die von der zweiten Polymerdispersion gebildete Schicht getrocknet und/oder gewaschen werden. Eine oder mehrere zusätzliche Schichten können ebenfalls in dieser Weise gebildet werden, um die gewünschte Dicke zu erreichen. Typischerweise beträgt die Gesamtdicke der von der zweiten Polymerdispersion gebildeten Schichten etwa 0,1 bis etwa 5 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 3 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 1 μm.
IV. Externe Polymerbeschichtung
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann auch eine externe Polymerbeschichtung auf den Anodenkörper aufgetragen werden und den festen Elektrolyten bedecken. Die externe Polymerbeschichtung enthält im Allgemeinen eine oder mehrere Schichten, die aus einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Teilchen gebildet sind, wie es oben ausführlicher beschrieben ist. Die externe Beschichtung kann in der Lage sein, weiter in den Randbereich des Kondensatorkörpers einzudringen, um die Adhäsion auf dem Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, das den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Da man im Allgemeinen den Grad der Randabdeckung verbessern und nicht das Innere der Anode imprägnieren möchte, sind die in der externen Beschichtung verwendeten Teilchen typischerweise größer als die in irgendwelchen optionalen Dispersionen des festen Elektrolyten eingesetzten. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der mittleren Größe der in der externen Polymerbeschichtung verwendeten Teilchen zur mittleren Größe der in irgendeiner Dispersion des festen Elektrolyten eingesetzten Teilchen typischerweise etwa 1,5 bis etwa 30, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 15. Zum Beispiel können die in der Dispersion der externen Beschichtung eingesetzten Teilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 250 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 200 Nanometer aufweisen.
Falls gewünscht, kann auch ein Vernetzungsmittel in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, um den Grad der Adhäsion an dem festen Elektrolyten zu erhöhen. Typischerweise wird das Vernetzungsmittel vor der Auftragung der in der externen Beschichtung verwendeten Dispersion aufgetragen. Geeignete Vernetzungsmittel sind zum Beispiel in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2007/0064376 (Merker et al.) beschrieben und umfassen zum Beispiel Amine (z. B. Diamine, Triamine, Oligomeramine, Polyamine usw.); mehrwertige Metallkationen, wie Salze oder Verbindungen von Mg, Al, Ca, Fe, Cr, Mn, Ba, Ti, Co, Ni, Cu, Ru, Ce oder Zn, Phosphoniumverbindungen, Sulfoniumverbindungen usw. Besonders gut geeignete Beispiele sind zum Beispiel 1,4-Diaminocyclohexan, 1,4-Bis(aminomethyl)cyclohexan, Ethylendiamin, 1,6-Hexandiamin, 1,7-Heptandiamin, 1,8-Octandiamin, 1,9-Nonandiamin, 1,10-Decandiamin, 1,12-Dodecandiamin, N,N-Dimethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butandiamin usw. sowie Gemische davon.
Das Vernetzungsmittel wird typischerweise aus einer Lösung oder Dispersion aufgetragen, deren pH-Wert 1 bis 10, in einigen Ausführungsformen 2 bis 7 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 6 beträgt, bestimmt bei 25°C. Saure Verbindungen können eingesetzt werden, um das Erreichen des gewünschten pH-Werts zu unterstützen. Beispiele für Lösungsmittel oder Dispergiermittel für das Vernetzungsmittel sind Wasser oder organische Lösungsmittel, wie Alkohole, Ketone, Carbonsäureester usw. Das Vernetzungsmittel kann durch irgendein bekanntes Verfahren, wie Schleuderbeschichtung, Imprägnieren, Gießen, tropfenweise Auftragung, Sprühauftragung, Aufdampfen, Sputtern, Sublimation, Rakelbeschichtung, Streichen oder Drucken, zum Beispiel durch Tintenstrahl-, Siebdruck oder Tampondruck, auf den Kondensatorkörper aufgetragen werden. Sobald es aufgetragen ist, kann das Vernetzungsmittel getrocknet werden, bevor die Polymerdispersion aufgetragen wird. Dann kann dieser Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Zum Beispiel kann die Gesamtdicke der gesamten externen Polymerbeschichtung einschließlich des Vernetzungsmittels und der Dispersionsschichten im Bereich von etwa 1 bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 40 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 μm liegen.
V. Andere Komponenten des Kondensators
Falls gewünscht, kann der Kondensator auch andere Schichten enthalten, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten gegebenenfalls eine Schutzbeschichtung gebildet werden, wie etwa aus einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich oder synthetisch). 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 Ölen 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.
Falls gewünscht, kann auch eine Kohlenstoffschicht (z. B. Graphit) bzw. eine Silberschicht auf das Teil aufgetragen werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungskollektor für den Kondensator wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten einschränken. Solche Beschichtungen können einen Teil oder den gesamten festen Elektrolyten bedecken.
Der Kondensator kann auch mit Endteilen versehen sein, insbesondere wenn er in Oberflächenmontageanwendungen eingesetzt wird. Zum Beispiel kann der Kondensator ein Anoden-Endteil, an das der Anodenanschlussdraht des Kondensatorelements elektrisch angeschlossen wird, und einen Kathoden-Endteil, an das die Kathode des Kondensatorelements elektrisch angeschlossen wird, enthalten. Jedes beliebige leitfähige Material kann eingesetzt werden, um die Endteile zu bilden, wie ein leitfähiges Metall (z. B. Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, 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 Dicke der Endteile ist im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter oder etwa 0,07 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Ein beispielhaftes leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus einer Kupfer-Eisen-Legierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich ist. 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 beide Flächen der Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, während die Montagefläche auch mit einer Zinnlötschicht versehen wird.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Elektrolytkondensators 30, die ein Anoden-Endteil 62 und ein Kathoden-Endteil 72 in elektrischer Verbindung mit einem Kondensatorelement 33 umfasst. Das Kondensatorelement 33 weist eine obere Fläche 37, eine untere Fläche 39, eine vordere Fläche 36 und eine hintere Fläche 38 auf. Das Kathoden-Endteil 72 kann zwar in elektrischem Kontakt mit einer beliebigen Fläche des Kondensatorelements 33 sein, befindet sich aber in der gezeigten Ausführungsform in elektrischem Kontakt mit der unteren Fläche 39 und der hinteren Fläche 38. Insbesondere enthält das Kathoden-Endteil 72 eine erste Komponente 73, die im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Komponente 74 positioniert ist. Die erste Komponente 73 befindet sich in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33. Die zweite Komponente 74 befindet sich in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur hinteren Fläche 38 des Kondensatorelements 33. Obwohl sie als einstückig abgebildet sind, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass diese Teile alternativ dazu auch getrennte Stücke sein können, die entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall) miteinander verbunden sind.
Das Anoden-Endteil 62 enthält ebenso eine erste Komponente 63, die im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Komponente 64 positioniert ist. Die erste Komponente 63 befindet sich in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33. Die zweite Komponente 64 enthält einen Bereich 51, der einen Anodenanschlussdraht 16 trägt. In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Bereich 51 eine ”U-Form”, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlussdrahts 16 weiter zu erhöhen.
Die Endteile können unter Verwendung einer beliebigen, in der Technik bekannten Methode mit dem Kondensatorelement verbunden werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Leiterrahmen bereitgestellt werden, der das Kathoden-Endteil 72 und das Anoden-Endteil 62 definiert. Um das Elektrolytkondensatorelement 33 an dem Leiterrahmen zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber zunächst auf eine Fläche des Kathoden-Endteils 72 aufgetragen werden. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen umfassen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. 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. Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um den leitfähigen Kleber auf das Kathoden-Endteil 72 aufzutragen. Aufgrund ihres praktischen und kostensparenden Nutzens können zum Beispiel Drucktechniken eingesetzt werden.
Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von Methoden eingesetzt werden, um die Endteile an dem Kondensator zu befestigen. In einer Ausführungsform zum Beispiel sind die zweite Komponente 64 des Anoden-Endteils 62 und die zweite Komponente 74 des Kathoden-Endteils 72 zunächst in die in 1 gezeigte Position aufwärts gebogen. Danach wird das Kondensatorelement 33 auf dem Kathoden-Endteil 72 positioniert, so dass seine untere Fläche 39 mit dem Kleber in Kontakt kommt und der Anoden-Anschlussdraht 16 von dem oberen U-förmigen Bereich 51 aufgenommen wird. Falls gewünscht, kann sich ein Isolationsmaterial (nicht gezeigt), wie ein Kunststoffpolster oder -band, zwischen der unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 und der ersten Komponente 63 des Anoden-Endteils 62 befinden, um das Anoden- und das Kathoden-Endteil elektrisch voneinander zu isolieren.
Dann wird der Anodenanschluss 16 mit Hilfe einer in der Technik bekannten Methode, wie mechanisches Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem Bereich 51 verbunden. Zum Beispiel kann der Anodenanschluss 16 mit Hilfe eines Lasers an den Anoden-Endteil 62 geschweißt werden. Laser enthalten im Allgemeinen Resonatoren, die ein Lasermedium enthalten, das Photonen durch stimulierte Emission freisetzen kann, und eine Energiequelle, die die Elemente des Lasermediums anregt. Ein Typ von geeignetem Laser ist einer, bei dem das Lasermedium aus einem Aluminium-Yttrium-Granat (YAG) besteht, der mit Neodym (Nd) dotiert ist. Die angeregten Teilchen sind Neodymionen Nd³ ⁺. Die Energiequelle kann kontinuierliche Energie zu dem Lasermedium liefern, um einen kontinuierlichen Laserstrahl zu emittieren, oder Energieentladungen, um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren. Nach dem elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses 16 mit dem Anoden-Endteil 62 kann der leitfähige Kleber dann gehärtet werden. Zum Beispiel kann eine Heizpresse verwendet werden, um Wärme und Druck anzuwenden und so zu gewährleisten, dass das Elektrolytkondensatorelement 33 durch den Kleber ausreichend stark an den Kathoden-Endteil 72 geklebt wird.
Sobald das Kondensatorelement befestigt ist, kann der Leiterrahmen in einem Harzgehäuse eingeschlossen werden, das dann mit Siliciumoxid oder irgendeinem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt werden kann. Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”C”, ”D”, ”E”, ”F”, ”G”, ”H”, ”J”, ”K”, ”L”, ”M”, ”N”, ”P”, ”R”, ”S”, ”T”, ”V”, ”W”, ”X” oder ”Z” (AVX Corporation). Unabhängig von der eingesetzten Gehäusegröße wird das Kondensatorelement so eingebettet, dass wenigstens ein Teil des Anoden- und des Kathoden-Endteils zur Montage auf einer Leiterplatte exponiert bleiben. Wie zum Beispiel in 1 gezeigt ist, ist das Kondensatorelement 33 so in einem Gehäuse 28 eingebettet, dass ein Teil des Anoden-Endteils 62 und ein Teil des Kathoden-Endteils 72 exponiert sind.
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann die Kondensatorbaugruppe ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen, wie bereits erwähnt wurde. Zum Beispiel kann der Kondensator eine relativ hohe Kapazität aufweisen. Die Trockenkapazität kann der Feuchtkapazität relativ ähnlich sein, was den Kondensator in die Lage versetzt, in Gegenwart von Luftfeuchtigkeit nur einen geringen Kapazitätsverlust und/oder Fluktuation aufzuweisen. Dieses Leistungsmerkmal wird durch die ”prozentuale Feucht-zu-Trocken-Kapazität” quantifiziert, die durch die Gleichung Feucht-zu-Trocken-Kapazität = (Trocken kapazität/Feuchtkapazität) × 100 bestimmt wird.
Der Kondensator der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel eine prozentuale Feucht-zu-Trocken-Kapazität von etwa 50% oder mehr aufweisen, in einigen Ausführungsformen etwa 60% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 80% bis 100%. Neben einer stabilen Kapazität kann der Kondensator unter den oben genannten Bedingungen auch einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (”ESR”) beibehalten, wie weniger als etwa 100 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 75 Milliohm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 60 Milliohm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 50 Milliohm, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz. In bestimmten Fällen können diese verbesserte Kapazität und ESR-Eigenschaften unter einer Vielzahl verschiedener Bedingungen stabil bleiben. Zum Beispiel können die Kapazität und/oder der äquivalente Serienwiderstand des Kondensators selbst bei niedrigen oder tiefen Temperaturen, wie etwa 25°C oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10°C oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0°C oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa –75°C bis etwa –25°C (z. B. –55°C), sowie über weite Frequenzbereiche, wie etwa 10 Hz bis etwa 100 kHz, innerhalb der oben genannten Bereiche liegen.
Der Leckstrom, der sich im Allgemeinen auf den Strom bezieht, der von einem Leiter über einen Isolator zu einem benachbarten Leiter fließt, kann ebenfalls auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden. Zum Beispiel ist der Zahlenwert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,5 μA/μF·V und in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,1 μA/μF·V, wobei ”μA” Mikroampère bedeutet und ”μF·V” das Produkt aus der Kapazität und der Nennspannung ist. Diese normierten Leckstromwerte können selbst nach Alterung, die während einer erheblichen Zeitdauer bei hohen Temperaturen erfolgt, aufrechterhalten werden. Zum Beispiel können die Werte etwa 100 Stunden oder länger, 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 –55°C bis etwa 250°C, in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 225°C und in einigen Ausführungsformen etwa 10°C bis etwa 225°C aufrechterhalten werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Testverfahren
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit Hilfe eines Keithley-3330-Precision-LCZ-Meters mit Kelvin-Anschlüssen, 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt von Spitze zu Spitze gemessen werden. Die Arbeitsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur war Raumtemperatur.
Trocken- und Feuchtkapazität
Die Kapazität wurde mit Hilfe eines Keithley-3330-Precision-LCZ-Meters mit Kelvin-Anschlüssen, 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt von Spitze zu Spitze gemessen. Die Arbeitsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur war Raumtemperatur. Die ”Trockenkapazität” bezieht sich auf die Kapazität des Bauteils nach Auftragung der Festelektrolyt-, Graphit- und Silberschichten, während sich die ”Feuchtkapazität” auf die Kapazität des Bauteils nach Bildung des Dielektrikums bezieht, gemessen in 17% Schwefelsäure und bezogen auf eine 1-mF-Tantalkathode.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 8500 μFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, bei 1800°C gesintert und auf eine Dichte von 5,6 g/cm³ gepresst. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,20 mm × 3,70 mm × 0,85 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 85°C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bis auf 72,5 V anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Die Presslinge wurden 30 Sekunden lang bei einer Temperatur von 30°C in Wasser/Borsäure/Dinatriumtetraborat mit einer Leitfähigkeit von 2,0 mS bis auf 160 V erneut anodisiert, um eine dickere Oxidschicht zu bilden, die sich auf der Außenseite aufbaut. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anoden in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eintauchte. Nach der Beschichtung wurde die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde zehnmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurde die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde nicht wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Viele Teile (200) von Kondensatoren mit 22 μF/25 V wurden auf diese Weise hergestellt.
Beispiel 2
Ein Tantalpulver mit 34000 μFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, bei 1440°C gesintert und auf eine Dichte von 5,8 g/cm³ gepresst. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,20 mm × 3,70 mm × 0,85 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 85°C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bis auf 96,0 V anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Die Presslinge wurden 30 Sekunden lang (2 Zyklen) bei einer Temperatur von 30°C in Wasser/Borsäure/Dinatriumtetraborat mit einer Leitfähigkeit von 2,0 mS bis auf 130 V erneut anodisiert, um eine dickere Oxidschicht zu bilden, die sich auf der Außenseite aufbaut. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung, eine Graphitbeschichtung und eine Silberbeschichtung in derselben Weise gebildet, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Viele Teile (200) von Kondensatoren mit 33 μF/25 V wurden auf diese Weise hergestellt.
Beispiel 3
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise gebildet, außer dass eine andere leitfähige Polymerbeschichtung verwendet wurde. Eine leitfähige Polymerbeschichtung wurde gebildet, indem man die Anoden in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde zehnmal wiederholt. Danach wurden die Teile in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) und einem zusätzlichen Feststoffgehalt von 20% von Polyethylenglycol mit einem Molekulargewicht von 600 (Sigma Aldrich^®) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde nicht wiederholt. Danach wurden die Teile in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Viele Teile (200) von Kondensatoren mit 33 μF/25 V wurden auf diese Weise hergestellt.
Dann wurden die fertigen Kondensatoren der Beispiele 1–3 auf elektrische Eigenschaften vor einem Montagevorgang getestet. Die Medianwerte der Ergebnisse bezüglich Kapazität, Df und ESR sind unten in Tabelle 1 gezeigt. Die Feuchtkapazität betrug 25,1 μF für Beispiel 1 und 38,0 μF für Beispiel 2–3. Tabelle 1. Elektrische Eigenschaften

Kap. [μF] Trocken-/Feucht-Kap. [%] Df ESR [mΩ]

Beispiel 1 21,0 83,7 5,05 44,3

Beispiel 2 32,4 85,4 4,40 35,1

Beispiel 3 34,5 90,7 4,64 36,4
Wie angezeigt, erreichten die Teile mit Polyethylenglycol (Beispiel 3) eine höhere Kapazität als die der Beispiele 1 und 2.
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

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309 [0014]
”Critical Oxygen Content in Porous Anodes of Solid Tantalum Capacitors”, Pozdeev-Freeman et al., Journal of materials Science: Materials in Electronics 9 (1998), 309–311 [0019]

Claims

Festelektrolytkondensator, umfassend: eine gesinterte poröse Anode, die aus einem feinteiligen Pulver mit einer spezifischen Ladung von mehr als etwa 30000 μF·V/g gebildet ist, wobei das Pulver Teilchen mit einer dreidimensionalen Form enthält; eine dielektrische Schicht, die den Anodenkörper bedeckt; und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, wobei der feste Elektrolyt eine Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen umfasst; wobei der Kondensator eine Durchschlagspannung von etwa 60 V oder mehr aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Teilchen sphärolithisch sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von etwa 35000 bis etwa 45000 μF·V/g aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode etwa 2500 bis etwa 6000 ppm Sauerstoff enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorpolymerisierten Teilchen aus einem substituierten Polythiophen, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen), gebildet sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 4, wobei die vorpolymerisierten Teilchen ein monomeres oder polymeres Gegenanion, wie Polystyrolsulfonsäure, enthalten.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorpolymerisierten Teilchen eine mittlere Größe von etwa 2 bis etwa 50 Nanometer aufweisen.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt weiterhin ein hydroxyfunktionelles nichtionisches Copolymer umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 8, wobei das hydroxyfunktionelle Polymer ein Polyalkylenether, wie ein Polyalkylenglycol, ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der feste Elektrolyt eine erste Schicht, die die dielektrische Schicht bedeckt, und eine zweite Schicht, die die erste Schicht bedeckt, enthält, wobei die erste Schicht die Vielzahl der vorpolymerisierten Teilchen enthält und die zweite Schicht das hydroxyfunktionelle nichtionische Polymer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 10, wobei die zweite Schicht eine Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin eine externe Polymerbeschichtung umfasst, die den festen Elektrolyten bedeckt, wobei die externe Polymerbeschichtung eine Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen enthält, und wobei die vorpolymerisierten Teilchen der externen Polymerbeschichtung eine größere mittlere Größe aufweisen als die vorpolymerisierten Teilchen des festen Elektrolyten.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kondensator eine Durchschlagspannung von etwa 80 Volt oder mehr und/oder eine Feucht-zu-Trocken-Kapazität von etwa 50% oder mehr aufweist.
Verfahren zur Bildung des Festelektrolytkondensators gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Pressen eines feinteiligen Pulvers in Form eines Presslings, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von mehr als etwa 30000 μF·V/g aufweist und Teilchen mit einer dreidimensionalen Form enthält; das Sintern des Presslings; das anodische Oxidieren des gesinterten Presslings unter Bildung einer dielektrischen Schicht, die die Anode bedeckt; und das Auftragen einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen auf die dielektrische Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Pressling bei einer Temperatur von etwa 1350°C bis etwa 1600°C gesintert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Pressdichte etwa 5,0 bis etwa 6,5 beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei eine hydroxyfunktionelle Verbindung in Form einer zweiten Dispersion, die eine Vielzahl der vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen enthält, aufgetragen wird.