DE102016208800A1

DE102016208800A1 - Festelektrolytkondensator mit ultrahoher Kapazität

Info

Publication number: DE102016208800A1
Application number: DE102016208800.9A
Authority: DE
Inventors: Miloslav Uher; Jan Petrzilek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-12-01
Also published as: US20160351339A1; US9767963B2; CN106206020A; JP6795913B2; JP2017079322A; CN106206020B

Abstract

Ein Festelektrolytkondensator, der eine Anode, die ein auf einem gesinterten porösen Körper gebildetes Dielektrikum enthält, umfasst, wird bereitgestellt. Der gesinterte poröse Körper ist aus einem Ventilmetallpulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 100000 Mikrofarad·Volt pro Gramm oder mehr gebildet. Der feste Elektrolyt bedeckt die Anode und umfasst ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das Repetiereinheiten enthält, die die folgende Formel (I) aufweisen:wobei R = (CH2)a-O-(CH2)b ist; a = 0 bis 10 beträgt; b = 1 bis 18 beträgt; Z– ein Anion ist; und X+ ein Kation ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) werden typischerweise dadurch hergestellt, dass man ein Metallpulver (z. B. Tantal) um einen Metallanschlussdraht herum presst, das gepresste Teil sintert, die gesinterte Anode anodisiert und danach einen festen Elektrolyten aufträgt. Aufgrund ihres vorteilhaften niedrigen Äquivalentserienwiderstands (”ESR”) und des ”nichtbrennenden/nichtentzündlichen” Fehlermechanismus werden häufig intrinsisch leitfähige Polymere als fester Elektrolyt eingesetzt. Solche Elektrolyte können durch chemische in-situ-Polymerisation des Monomers in Gegenwart eines Katalysators und eines Dotierungsmittels gebildet werden. Eines der Probleme mit herkömmlichen Kondensatoren, in denen in-situ-polymerisierte Polymere eingesetzt werden, besteht darin, dass diese häufig bei hohen Spannungen, wie sie beim schnellen Einschalten oder bei Betriebsstromspitzen auftreten, versagen. In einem Versuch, diese Probleme zu überwinden, werden in bestimmten Anwendungen als alternatives festes Elektrolytmaterial auch vorgefertigte Aufschlämmungen leitfähiger Polymere eingesetzt. Während mit diesen Kondensatoren einige Vorteile erreicht wurden, bleiben dennoch Probleme bestehen. Für viele Anwendungen ist es häufig wünschenswert, Metallpulver zu verwenden, die eine ultrahohe spezifische Ladung aufweisen, d. h. etwa 100000 Mikrofarad·Volt pro Gramm (”μF·V/g”) oder mehr. Solche Pulver mit ultrahohem ”CV/g” werden im Allgemeinen aus Teilchen mit nanoskaliger Größe gebildet, was zur Bildung sehr kleiner Poren zwischen den Teilchen führt. Leider ist es häufig schwierig, diese kleinen Poren mit vorgefertigten Polymeraufschlämmungen zu imprägnieren, was herkömmlicherweise zu einer relativ schlechten elektrischen Leistungsfähigkeit des Kondensators führte. Ein weiteres Problem bei Kondensatoren auf Polymeraufschlämmungsbasis besteht darin, dass sie nur einen relativ geringen Prozentsatz ihrer Nasskapazität erreichen können, was bedeutet, dass sie einen relativ großen Kapazitätsverlust und/oder eine relativ große Fluktuation in der Anwesenheit von Luftfeuchtigkeit aufweisen.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Festelektrolytkondensator, der eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der eine Anode, die ein auf einem gesinterten porösen Körper gebildetes Dielektrikum enthält, umfasst, wobei der gesinterte poröse Körper aus einem Ventilmetallpulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 100000 Mikrofarad·Volt pro Gramm oder mehr gebildet ist. Der feste Elektrolyt bedeckt die Anode und umfasst ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das Repetiereinheiten enthält, die die folgende Formel (I) aufweisen:
wobei
R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist;
a = 0 bis 10 beträgt;
b = 1 bis 18 beträgt;
Z^– ein Anion ist; und
X⁺ ein Kation ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators offenbart, das das Pressen eines Pulvers zu einem Pressling, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von etwa 100000 μF·V/g oder mehr aufweist, das Sintern des Presslings, das anodische Oxidieren des gesinterten Presslings unter Bildung einer dielektrischen Schicht, die die Anode bedeckt, und das Eintauchen des anodisch oxidierten Presslings in eine Lösung umfasst, die ein intrinsisch leitfähiges Polymer enthält, das Repetiereinheiten enthält, die die folgende Formel (I) aufweisen:
wobei
R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist;
a = 0 bis 10 beträgt;
b = 1 bis 18 beträgt;
Z^– ein Anion ist; und
X⁺ ein Kation ist.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Im Rest der Beschreibung, wo auf die beigefügte Figur Bezug genommen wird, ist eine an den Fachmann gerichtete vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung gezeigt; 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 Anode enthält, die ein auf einem gesinterten porösen Körper gebildetes Dielektrikum und einen die Anode bedeckenden festen Elektrolyten enthält. Der gesinterte poröse Körper ist aus einem Ventilmetallpulver mit einer ultrahohen spezifischen Ladung gebildet. Die spezifische Ladung des Pulvers kann zum Beispiel etwa 100000 Mikrofarad·Volt pro Gramm (”μF·V/g”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 120000 bis etwa 800000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150000 bis etwa 600000 μF·V/g betragen. Wie in der Technik bekannt ist, kann die spezifische Ladung dadurch bestimmt werden, dass man die Kapazität mit der eingesetzten Anodisierungsspannung multipliziert und dann dieses Produkt durch das Gewicht des anodisierten Elektrodenkörpers dividiert. Die Erfinder haben dennoch herausgefunden, dass trotz der Bildung aus einem Pulver mit ultrahoher spezifischer Ladung dennoch durch gezielte Steuerung über den festen Elektrolyten ein Kondensator mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften gebildet werden kann. Das heißt, der feste Elektrolyt umfasst ein Polymer, das insofern als ”intrinsisch” leitfähig gilt, als es eine positive Ladung aufweist, die sich auf der Hauptkette befindet und wenigstens teilweise von Anionen, die kovalent an das Polymer gebunden sind, kompensiert wird. Insbesondere enthält das Polymer Repetiereinheiten, die die folgende Formel (I) aufweisen:
wobei
R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist;
a = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z. B. 1) beträgt;
b = 1 bis 18, in einigen Ausführungsformen 1 bis 10 und in einigen Ausführungsformen 2 bis 6 (z. B. 3, 4 oder 5) beträgt;
Z^– ein Anion ist, wie SO₃ ^–, C(O)O^–, BF₄ ^–, CF₃SO₃ ^–, SbF₆ ^–, N(SO₂CF₃)₂ ^–, C₄H₃O₄ ^–, ClO₄ ^– usw.;
X⁺ ein Kation ist, wie Wasserstoff, ein Alkalimetall (z. B. Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium oder Kalium), Ammonium usw.
Das Polymer kann zum Beispiel im trockenen Zustand eine relativ hohe spezifische Leitfähigkeit von etwa 1 Siemens pro Zentimeter (”S/cm”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 S/cm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 20 S/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 500 S/cm aufweisen. Als Ergebnis der intrinsischen Leitfähigkeit erfordert die Schicht keine Zugabe von herkömmlichen Dotierungsmitteln, wie Polystyrolsulfonsäure. Tatsächlich kann die Schicht im Wesentlichen frei von solchen Dotierungsmitteln sein. Dennoch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Dotierungsmittel eingesetzt werden können. Wenn sie eingesetzt werden, sind Dotierungsmittel jedoch typischerweise in der Schicht in einer Menge von etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger vorhanden.
Die intrinsisch leitfähigen Polymere können auch eine Vielzahl anderer Vorteile aufweisen. Zum Beispiel ist das Polymer im Allgemeinen gut in Wasser löslich, so dass es leichter und effektiver auf die Anode aufgetragen werden kann. Das lösliche Polymer kann auch die kleinen Poren, die von dem Pulver mit der hohen spezifischen Ladung gebildet werden, leichter imprägnieren, so dass der resultierende feste Elektrolyt eine ”filmartige” Konfiguration aufweist und wenigstens einen Teil der Anode im Wesentlichen gleichmäßig beschichtet. Dadurch wird die Qualität des resultierenden Oxids sowie dessen Oberflächenbedeckung verbessert, und dadurch werden auch die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verbessert. Zum Beispiel kann der resultierende Kondensator einen hohen Prozentsatz seiner Feuchtkapazität aufweisen, was ihn 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 eine prozentuale Feucht-zu-Trocken-Kapazität von etwa 50% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 80% bis 100% aufweisen. Die Trockenkapazität kann etwa 30 Nanofarad pro Quadratzentimeter (”nF/cm²”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 nF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis etwa 3000 nF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 2000 nF/cm² betragen, gemessen bei einer Frequenz von 120 Hz.
Der Kondensator kann auch einen relativ niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (”ESR”), wie etwa 200 mOhm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 150 mOhm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 100 mOhm, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz, aufweisen. Vermutlich kann auch der Verlustfaktor des Kondensators auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden. Der Verlustfaktor bezieht sich im Allgemeinen auf Verluste, die in dem Kondensator auftreten, und wird gewöhnlich als Prozentsatz der idealen Kondensatorleistung ausgedrückt. Zum Beispiel beträgt der Verlustfaktor des Kondensators der vorliegenden Erfindung typischerweise etwa 1% bis etwa 25%, in einigen Ausführungsformen etwa 3% bis etwa 10% und in einigen Ausführungsformen etwa 5% bis etwa 15%, bestimmt bei einer Frequenz von 120 Hz. Der Kondensator kann auch für die Verwendung in Hochspannungsanwendungen geeignet sein, wie bei 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. Der Kondensator kann zum Beispiel eine relativ hohe ”Durchschlagsspannung” (Spannung, bei der der Kondensator versagt), wie etwa 2 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 100 Volt aufweisen. Ebenso kann es auch sein, dass der Kondensator relativ hohe Stromspitzen aushält, was bei Hochspannungsanwendungen ebenfalls üblich ist. Der maximale Spitzenstrom 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.
Es werden jetzt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung ausführlicher beschrieben.
I. Anodenkörper
Wie erwähnt, ist der poröse Anodenkörper aus einem Pulver gebildet, das ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine auf einem Ventilmetall basierende Verbindung, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. enthält. Das Pulver wird typischerweise durch ein Reduktionsverfahren, bei dem ein Tantalsalz (z. B. Kaliumfluorotantalat (K₂TaF₇), Natriumfluorotantalat (Na₂TaF₇), Tantalpentachlorid (TaCl₅) usw.) mit einem Reduktionsmittel umgesetzt wird. Das Reduktionsmittel kann in Form einer Flüssigkeit, eines Gases (z. B. Wasserstoff) oder eines Feststoffs, wie eines Metalls (z. B. Natrium), einer Metalllegierung oder eines Metallsalzes, bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Tantalsalz (z. B. TaCl₅) auf eine Temperatur von etwa 900°C bis etwa 2000°C, in einigen Ausführungsformen etwa 1000°C bis etwa 1800°C und in einigen Ausführungsformen etwa 1100°C bis etwa 1600°C erhitzt werden, um einen Dampf zu bilden, der in Gegenwart eines gasförmigen Reduktionsmittels (z. B. Wasserstoff) reduziert werden kann. Zusätzliche Einzelheiten zu einer solchen Reduktionsreaktion können in WO 2014/199480 (Maeshima et al.) beschrieben werden. Nach der Reduktion kann das Produkt abgekühlt, zerkleinert und gewaschen werden, wobei ein Pulver entsteht.
Das Pulver kann ein rieselfähiges, feinteiliges Pulver sein, das primäre Teilchen enthält. Die primären Teilchen des Pulvers weisen im Allgemeinen eine mediane Größe (D50) von etwa 5 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 250 Nanometer auf, bestimmt unter Verwendung eines von der Beckman Coulter Corporation (z. B. LS-230) hergestellten Laser-Teilchengrößenverteilungsanalysegeräts, gegebenenfalls nachdem man die Teilchen 70 Sekunden lang einer Ultraschallschwingung ausgesetzt hat. Die primären Teilchen weisen typischerweise eine dreidimensionale granuläre Form (z. B. sphärolithisch oder winklig) auf. Solche Teilchen weisen typischerweise 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. Neben primären Teilchen kann das Pulver auch andere Typen von Teilchen enthalten, wie sekundäre Teilchen, die durch Aggregation (oder Agglomeration) der primären Teilchen entstehen. Solche sekundären Teilchen können eine mediane Größe (D50) von etwa 1 bis etwa 500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 250 Mikrometer aufweisen.
Die Agglomeration der Teilchen kann durch Erhitzen der Teilchen und/oder durch Verwendung eines Bindemittels erfolgen. Zum Beispiel kann eine Agglomeration bei einer Temperatur von etwa 0°C bis etwa 40°C, in einigen Ausführungsformen etwa 5°C bis etwa 35°C und in einigen Ausführungsformen etwa 15°C bis etwa 30°C erfolgen. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel etwa 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 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 Anodenanschluss, der in Form eines Drahtes, Blechs etc. vorliegen kann, herum kompaktiert werden. Der Draht kann sich vom Anodenkörper ausgehend in Längsrichtung erstrecken und kann aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden und/oder Nitriden davon bestehen. Die Verbindung des Anschlusses kann auch mit Hilfe anderer bekannter Techniken erreicht werden, wie durch Schweißen des Anschlusses an den Körper oder durch Einbetten desselben in den Anodenkörper während der Bildung (z. B. vor dem Kompaktieren und/oder Sintern).
Nach dem Pressen kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel entfernt werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 500°C) erhitzt. Alternativ dazu kann das Bindemittel auch entfernt werden, indem 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 zusammenhängenden Masse gesintert. Der Pressling wird typischerweise bei einer Temperatur von etwa 700°C bis etwa 1600°C, in einigen Ausführungsformen etwa 800°C bis etwa 1500°C und in einigen Ausführungsformen etwa 900°C bis etwa 1200°C über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 8 Minuten bis etwa 15 Minuten gesintert. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. 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 unter einem 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 stehen. Gemische von Wasserstoff und anderen Gasen (z. B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden.
II. Dielektrikum
Die Anode ist auch mit einem Dielektrikum beschichtet. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man die gesinterte Anode anodisch oxidiert (”anodisiert”), so dass über und/oder innerhalb der Anode eine dielektrische Schicht gebildet wird. 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 eingesetzt, wie Wasser (z. B. deionisiertes Wasser). Um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen, 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 sind. 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 Anodisierungslösung geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Formierungsspannung bewirkt die 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 des Anodenkörpers gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung, bei der die anodische Oxidation stattfindet, liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 250 V und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 150 V. Während der Oxidation kann die Anodisierungslösung 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 Hydronium-Ion, 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 und fungiert im Allgemeinen als Kathode für den Kondensator. Typischerweise beträgt die Gesamtdicke des festen Elektrolyten etwa 1 bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 μm. Der feste Elektrolyt kann aus einer oder mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet sein, von denen wenigstens eine ein intrinsisch leitfähiges Polymer umfasst, das Repetiereinheiten der folgenden Formel (I) aufweist:
wobei
R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist;
a = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z. B. 1) beträgt;
b = 1 bis 18, in einigen Ausführungsformen 1 bis 10 und in einigen Ausführungsformen 2 bis 6 (z. B. 2, 3, 4 oder 5) beträgt;
Z^– ein Anion ist, wie SO₃ ^–, C(O)O^–, BF₄ ^–, CF₃SO₃ ^–, SbF₆ ^–, N(SO₂CF₃)₂ ^–, C₄H₃O₄ ^–, ClO₄ ^– usw.;
X⁺ ein Kation ist, wie Wasserstoff, ein Alkalimetall (z. B. Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium oder Kalium), Ammonium usw.
In einer besonderen Ausführungsform ist Z in Formel (I) ein Sulfonat-Ion, so dass das intrinsisch leitfähige Polymer Repetiereinheiten der folgenden Formel (II) enthält:
wobei R und X wie oben definiert sind. In Formel (I) oder (II) beträgt a vorzugsweise 1, und b beträgt vorzugsweise 3 oder 4. Ebenso ist X vorzugsweise Natrium oder Kalium.
Falls gewünscht, kann das Polymer ein Copolymer sein, das auch andere Typen von Repetiereinheiten enthält. In solchen Ausführungsformen machen die Repetiereinheiten der Formel (I) typischerweise etwa 50 Mol-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Mol-% bis etwa 99 Mol-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Mol-% bis etwa 95 Mol-% der Gesamtmenge der Repetiereinheiten in dem Copolymer aus. Selbstverständlich kann das Polymer auch soweit ein Homopolymer sein, dass es 100 Mol-% der Repetiereinheiten der Formel (I) enthält. Spezielle Beispiele für solche Homopolymere sind Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butansulfonsäuresalz) und Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-propansulfonsäuresalz).
Das intrinsisch leitfähige Polymer kann durch eine Vielzahl von Techniken gebildet werden, worüber sich der Fachmann im Klaren wäre. In einer besonderen Ausführungsform kann zum Beispiel ein 3,4-Ethylendioxythiophen-Salz in Gegenwart eines oxidativen Katalysators polymerisiert werden. Derivate dieser Monomere, bei denen es sich zum Beispiel um Dimere oder Trimere der obigen Verbindungen handelt, können ebenfalls eingesetzt werden. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und in reiner Form sowie in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden. 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. Zu den besonders gut geeigneten Übergangsmetallsalzen gehören Halogenide (z. B. FeCl₃ oder HAuCl₄), Salze von anderen anorganischen Säuren (z. B. Fe(ClO₄)₃, Fe₂(SO₄)₃, (NH₄)₂S₂O₈ oder Na₃MO₁₂PO₄₀) sowie Salze von organischen Säuren und anorganischen 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. 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. Kamphersulfonsäure) usw. Gemische dieser oben genannten Salze können ebenfalls verwendet werden.
Die oxidative Polymerisation erfolgt im Allgemeinen in Gegenwart von einem oder mehreren Lösungsmitteln. Zu den geeigneten Lösungsmitteln gehören zum Beispiel etwa 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. Die Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, variiert typischerweise von etwa –20°C bis etwa 140°C und in einigen Ausführungsformen von etwa 20°C bis etwa 100°C. Nach Beendigung der Reaktion können bekannte Filtrationstechniken eingesetzt werden, um gegebenenfalls vorhandene Salzverunreinigungen zu entfernen.
Falls gewünscht, kann die leitfähige Polymerschicht im Allgemeinen frei von ”extrinsisch” leitfähigen Polymeren sein und also ganz aus intrinsisch leitfähigen Polymeren bestehen. In solchen Ausführungsformen kann die Schicht in Form einer Lösung oder Dispersion, die ein Lösungsmittel enthält, aufgetragen werden, doch ist eine Lösung typischerweise bevorzugt. Die Konzentration des Polymers kann je nach der gewünschten Viskosität der Schicht und je nach der besonderen Art und Weise, wie die Schicht auf die Anode aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch macht das Polymer 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 Lösung oder der Dispersion aus. Ebenso können Lösungsmittel etwa 90 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 95 Gew.-% bis etwa 99,6 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 96 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-% der Lösung oder der Dispersion ausmachen. Während gewiss auch andere Lösungsmittel eingesetzt werden können, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass Wasser das primäre Lösungsmittel ist, so dass die Dispersion als ”wässrige” Lösung gilt. In den meisten Ausführungsformen zum Beispiel bildet Wasser wenigstens etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 75 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% der eingesetzten Lösungsmittel. Wenn eine Lösung eingesetzt wird, kann sie mit Hilfe jeder bekannten Technik auf die Anode aufgetragen werden, wie Tauchen, Gießen (z. B. Vorhangbeschichtung, Schleuderbeschichtung usw.), Drucken (z. B. Tiefdruck, Offsetdruck, Siebdruck usw.) usw. Die resultierende leitfähige Polymerschicht kann, nachdem sie auf die Anode aufgetragen wurde, getrocknet und/oder gewaschen werden. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Polymere in Kombination mit dem intrinsisch leitfähigen Polymer in der leitfähigen Polymerschicht eingesetzt werden. Zum Beispiel kann in dem festen Elektrolyten ein anderes leitfähiges Polymer eingesetzt werden, wie ein Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin, Polyacetylen, Poly-p-phenylen, Polyphenolat usw. In einer besonderen Ausführungsform kann die leitfähige Polymerschicht auch ein Polymer umfassen, das Repetiereinheiten der folgenden Formel (III) aufweist:
wobei
R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter, 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 C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein C₆- bis C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein 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 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. In einer besonderen Ausführungsform ist ”q” = 0, und das Polymer ist Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Ein kommerziell geeignetes Beispiel für ein Monomer, das für die Bildung eines solchen Polymers geeignet ist, ist 3,4-Ethylendioxythiophen, das von Heraeus unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich ist.
Die Polymere der Formel (III) gelten im Allgemeinen insofern als ”extrinsisch” leitfähig, als sie die Anwesenheit eines getrennten Gegenions erfordern, das nicht kovalent an das Polymer gebunden ist. Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein, das die Ladung des leitfähigen Polymers ausgleicht. 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 Acrylsaureestern 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 ein solches extrinsisch leitfähiges Polymer eingesetzt wird, kann die leitfähige Polymerschicht in Form einer Dispersion aufgetragen werden. In solchen Ausführungsformen kann das leitfähige Polymer in Form von Teilchen mit einer mittleren 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 vorliegen. 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 besonderen Ausführungsform haben die Teilchen zum Beispiel eine sphärische Form. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch andere Formen in Betracht gezogen werden, wie Platten, Stäbe, Scheiben, Blöcke, Röhrchen, unregelmäßige Formen usw. Die Konzentration der Teilchen in der Dispersion kann je nach der gewünschten Viskosität der Dispersion und der besonderen Art und Weise, wie 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 kann 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 Auftragbarkeit der Schicht auf die Anode zu erleichtern. 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-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 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 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. Die Viskosität der Dispersion beträgt 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.
In bestimmten Ausführungsformen besteht der feste Elektrolyt aus mehreren Schichten, von denen eine oder mehrere in der oben beschriebenen Weise gebildet werden. Falls gewünscht, können die Schichten frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren sein und also nur intrinsisch leitfähige Polymere enthalten. Zum Beispiel können intrinsisch leitfähige Polymere in solchen Ausführungsformen etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z. B. 100 Gew.-%) des festen Elektrolyten ausmachen.
In bestimmten Ausführungsformen kann der feste Elektrolyt eine oder mehrere ”innere” leitfähige Polymerschichten und gegebenenfalls eine oder mehrere ”äußere” leitfähige Polymerschichten enthalten. Der Ausdruck ”innere” bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine oder mehrere Schichten, die aus demselben Material bestehen und das Dielektrikum bedecken, entweder direkt oder über eine andere Schicht (z. B. Kleberschicht). Die innere Schicht oder die inneren Schichten enthalten zum Beispiel typischerweise intrinsisch leitfähige Polymere, entweder allein oder in Kombination mit anderen leitfähigen Polymeren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Verwendung solcher Polymere ein besserer Kontakt zwischen dem festen Elektrolyten und dem Dielektrikum erreicht werden kann. In einer besonderen Ausführungsform sind die inneren Schichten im Allgemeinen frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren und bestehen also in erster Linie aus intrinsisch leitfähigen Polymeren. Insbesondere können intrinsisch leitfähige Polymere etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z. B. 100 Gew.-%) der inneren Schichten ausmachen. Selbstverständlich ist dies keineswegs erforderlich, und in anderen Ausführungsformen können die inneren Schichten auch aus anderen Materialien, wie aus einer Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen, gebildet sein. Unabhängig davon können eine oder mehrere innere Schichten eingesetzt werden. Zum Beispiel enthält der feste Elektrolyt typischerweise 2 bis 30, in einigen Ausführungsformen 4 bis 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis 15 innere Schichten.
Der feste Elektrolyt kann nur ”innere Schichten” enthalten, so dass er im Wesentlichen aus demselben Material besteht, d. h. intrinsisch leitfähigen Polymeren. Dennoch kann der feste Elektrolyt in anderen Ausführungsformen auch eine oder mehrere ”äußere” leitfähige Polymerschichten enthalten, die aus einem anderen Material als die inneren Schichten bestehen und die inneren Schichten bedecken. Zum Beispiel können die äußeren Schichten in Ausführungsformen, bei denen die inneren Schichten primär aus intrinsisch leitfähigen Polymeren bestehen, aus einer Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen gebildet sein, wie es oben beschrieben ist. Alternativ dazu können die inneren Schichten in Ausführungsformen, bei denen die äußeren Schichten primär aus intrinsisch leitfähigen Polymeren bestehen, aus einer Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen gebildet sein. Unabhängig davon können die Teilchen der Dispersion, wie oben erwähnt, 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 aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform sind die äußeren Schichten insofern primär aus solchen Teilchen gebildet, als diese etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z. B. 100 Gew.-%) einer jeweiligen äußeren Schicht ausmachen. Wie erwähnt, können eine oder mehrere äußere Schichten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der feste Elektrolyt 2 bis 30, in einigen Ausführungsformen 4 bis 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis 15 äußere Schichten enthalten, von denen jede gegebenenfalls aus einer Dispersion der extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen gebildet sein kann.
IV. Externe Polymerbeschichtung
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann eine externe Polymerbeschichtung auf die den festen Elektrolyten bedeckende Anode aufgetragen werden. Die externe Polymerbeschichtung enthält im Allgemeinen eine oder mehrere Schichten, die aus einer Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen gebildet sind, wie es oben beschrieben ist. Die externe Beschichtung kann in der Lage sein, weiter in den Randbereich des Kondensatorkörpers einzudringen, um die Haftung am Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, was 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 Haftung am festen Elektrolyten zu verstärken. 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, der 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. 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, wird der Leiterrahmen in einem Harzgehäuse eingeschlossen, 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 sind. 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.
Die vorliegende Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels besser verständlich.
Testverfahren
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz kann 100 kHz betragen, und die Temperatur kann 23°C ± 2°C betragen.
Verlustfaktor
Der Verlustfaktor 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 kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23°C ± 2°C betragen.
Kapazität
Die Kapazität 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 kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23°C ± 2°C betragen. In einigen Fällen kann die ”Feucht-zu-Trocken”-Kapazität bestimmt werden. ”Trockenkapazität” bezieht sich auf die Kapazität des Teils vor Auftragung der Festelektrolyt-, Graphit- und Silberschichten, während sich ”Feuchtkapazität” auf die Kapazität des Teils nach Bildung des Dielektrikums bezieht, gemessen in 14%-iger Salpetersäure in Bezug auf eine 1-mF-Tantalkathode mit 10 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks nach 30 Sekunden Tränken im Elektrolyten.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 150000 μFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, bei 1290°C gesintert und auf eine Dichte von 5,6 g/cm³ gepresst. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,20 × 3,70 × 0,50 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 85°C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bis 13,0 V anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Die Presslinge wurden 25 Sekunden lang bei einer Temperatur von 30°C in Wasser/Borsäure/Dinatriumtetraborat mit einer Leitfähigkeit von 2,0 mS bis 70 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, Heraeus) eintauchte. Nach der Beschichtung wurden 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 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal 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, Heraeus) 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. Auf diese Weise wurden viele Teile (400) von Kondensatoren mit 470 μF/6,3 V hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Beispiel 2
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass eine andere leitfähige Polymerbeschichtung verwendet wurde. Die leitfähige Polymerbeschichtung wurde gebildet, indem man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butansulfonsäure) mit einem Feststoffgehalt von 1,9% (Clevios^TM K, Heraeus) eintauchte. Nach der Beschichtung wurden 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 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden 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 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal 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, Heraeus) 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 (400) von Kondensatoren mit 470 μF/6,3 V wurden hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Beispiel 3
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass eine andere leitfähige Polymerbeschichtung verwendet wurde. Die leitfähige Polymerbeschichtung wurde gebildet, indem man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butansulfonsäure) mit einem Feststoffgehalt von 1,9% (Clevios^TM K, Heraeus) eintauchte. Nach der Beschichtung wurden 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, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal 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, Heraeus) 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 (400) von Kondensatoren mit 470 μF/6,3 V wurden hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Dann wurden die fertigen Kondensatoren der Beispiele auf elektrische Eigenschaften getestet. Die Medianwerte der Ergebnisse bezüglich Kapazität, Trocken-/Feucht-Kapazität, Df und ESR sind unten in Tabelle 1 gezeigt. Die Feuchtkapazität betrug 536,14 μF. Tabelle 1: Elektrische Eigenschaften

[μF] Trockenkap. Feucht-zu-Trocken-Kap. [%] Df [%] ESR [mOhm]

Beispiel 1 119,88 22,36 4,2 61,0

Beispiel 2 233,11 43,48 5,1 48,3

Beispiel 3 372,64 69,50 7,7 64,2
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

WO 2014/199480 [0016]
US 6197252 [0020]
US 2007/0064376 [0044]
US 6674635 [0047]

Claims

Festelektrolytkondensator, umfassend: eine Anode, die ein auf einem gesinterten porösen Körper gebildetes Dielektrikum enthält, wobei der gesinterte poröse Körper aus einem Ventilmetallpulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 100000 Mikrofarad·Volt pro Gramm oder mehr gebildet ist; und einen die Anode bedeckenden festen Elektrolyten, wobei der feste Elektrolyt ein intrinsisch leitfähiges Polymer umfasst, das Repetiereinheiten enthält, die die folgende Formel (I) aufweisen:
wobei R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist; a = 0 bis 10 beträgt; b = 1 bis 18 beträgt; Z^– ein Anion ist; und X⁺ ein Kation ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Pulver primäre Teilchen mit einer medianen Größe von etwa 5 bis etwa 500 Nanometer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Pulver Tantal umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei a = 1 ist und b = 3 oder 4 ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei Z = SO₃ ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei X ein Alkalimetall ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Polymer ein Homopolymer ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 7, wobei es sich bei dem Homopolymer um Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butansulfonsäuresalz), Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-propansulfonsäuresalz) oder eine Kombination davon handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt weiterhin ein extrinsisch leitfähiges Polymer umfasst, das Repetiereinheiten der folgenden Formel (III) aufweist:
wobei R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter C₁ bis C₁₈-Alkylrest, ein C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest, ein C₆- bis C₁₄-Arylrest, ein C₇- bis C₁₈-Aralkylrest oder ein C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest; und q eine ganze Zahl von 0 bis 8 ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 9, wobei es sich bei dem extrinsisch leitfähigen Polymer um Poly(3,4-ethylendioxythiophen) handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt aus mehreren Schichten gebildet ist, von denen wenigstens eine das intrinsisch leitfähige Polymer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 11, wobei jede der Schichten das intrinsisch leitfähige Polymer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 11, wobei der feste Elektrolyt eine innere Schicht und eine äußere Schicht enthält, wobei die innere Schicht das intrinsisch leitfähige Polymer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 13, wobei die innere Schicht frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 13, wobei die äußere Schicht ein extrinsisch leitfähiges Polymer enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 15, wobei es sich bei dem extrinsisch leitfähigen Polymer um Poly(3,4-ethylendioxythiophen) handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 16, wobei die äußere Schicht weiterhin ein polymeres Gegenanion umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin eine externe Polymerbeschichtung umfasst, die den festen Elektrolyten bedeckt, wobei die externe Polymerbeschichtung leitfähige Polymerteilchen enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin ein Anoden-Endteil, das mit der Anode elektrisch verbunden ist, und ein Kathoden-Endteil, das mit dem festen Elektrolyten elektrisch verbunden ist, umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator eine Feucht-zu-Trocken-Kapazität von etwa 50% oder mehr aufweist.
Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, wobei das Verfahren umfasst: Pressen eines Pulvers in die Form eines Presslings, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von etwa 100000 μF·V/g oder mehr aufweist; Sintern des Presslings; anodisches Oxidieren des gesinterten Presslings unter Bildung einer die Anode bedeckenden dielektrischen Schicht; und Eintauchen des anodisch oxidierten Presslings in eine Lösung, die ein intrinsisch leitfähiges Polymer enthält, das Repetiereinheiten enthält, die die folgende Formel (I) aufweisen:
wobei R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b ist; a = 0 bis 10 beträgt; b = 1 bis 18 beträgt; Z^– ein Anion ist; und X⁺ ein Kation ist.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei Z = SO₃ ist.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei es sich bei dem Polymer um Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butansulfonsäuresalz), Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-propansulfonsäuresalz) oder eine Kombination davon handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 22, das weiterhin das Auftragen einer Dispersion auf den anodisch oxidierten Pressling nach Eintauchen in die Lösung umfasst, wobei die Dispersion extrinsisch leitfähige Polymerteilchen enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei Teilchen Poly(3,4-ethylendioxythiophen) und Polystyrolsulfonsäure enthalten.