DE102021109472A1

DE102021109472A1 - Anodenanschlussfahne und Elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE102021109472A1
Application number: DE102021109472.0A
Authority: DE
Inventors: László Dobai; Zita Dominkovics
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2022-10-20
Also published as: CN117136420A; WO2022218748A1; JP2024513063A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anodenanschlussfahne (7), die ausgelegt ist zum externen Kontaktieren einer Anodenfolie (3) in einem Elektrolytkondensator (1), wobei die Anodenanschlussfahne (7) eine aufgeraute Oberfläche aufweist, die die Anodenanschlussfahne (7) vor Oberflächenauflösung schützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anodenanschlussfahne, einen Elektrolytkondensator, der eine Anodenanschlussfahne umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen einer Anodenanschlussfahne.
Die Lebenszeit von Aluminiumelektrolytkondensatoren wird aufgrund der beschränkten Reinheit ihrer Rohmaterialien verkürzt.
Ein gewöhnlicher Ausfallmodus ist die elektrochemische Korrosion der Anodenanschlussfahne des Kondensators, was die Auflösung der Anschlussfahne verursacht.
Die elektrochemische Korrosion von anodischen Anschlussfahnen wird durch Halogenionen verursacht, die elektrochemische Reaktionen mit dem Material von Aluminiumanodenanschlussfahnen starten. Das häufigste Halogen ist Cl, was eine natürliche Verunreinigung von fast jedem Rohmaterial ist.
Das Patentanmeldungsdokument DE 10 2016 125 733 A1 offenbart eine Oxidschicht, die eine Aluminiumanode vor Umwelteinflüssen schützt.
Hohlräume und Risse in der Oxidschicht sind jedoch unvermeidbar.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Anodenanschlussfahne und eines verbesserten Elektrolytkondensators.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anodenanschlussfahne bereit, die zum externen Kontaktieren einer Anodenfolie in einem Elektrolytkondensator ausgelegt ist, wobei die Anodenanschlussfahne eine aufgeraute Oberfläche aufweist, die die Anodenanschlussfahne vor Oberflächenauflösung schützt.
Ein Elektrolytkondensator gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator mit einem flüssigen Elektrolyten, einer Anodenfolie, einer Kathodenfolie, Separatoren zwischen Anoden- und Kathodenfolie und darüber hinaus Fahnen, die die Anodenfolie und die Kathodenfolie elektrisch mit externen Kontakten verbinden.
Insbesondere ist ein Aluminiumelektrolytkondensator ein polarisierter Kondensator, dessen Anode aus Aluminium besteht, auf dem durch Anodisierung eine isolierende Oxidschicht gebildet ist. Die Oxidschicht wirkt als das Dielektrikum des Aluminiumelektrolytkondensators. Der flüssige Elektrolyt bedeckt die Oberfläche der Oxidschicht und dient im Prinzip als die zweite Elektrode des Kondensators, die mit der Kathodenfolie in elektrischem Kontakt steht. Ein Separator ist zwischen der Anode und der Kathodenfolie positioniert. Der Separator kann ein Papierblatt umfassen, das mit dem flüssigen Elektrolyten imprägniert ist.
Der Aluminiumelektrolytkondensator kann als ein Hybridpolymerelektrolytkondensator konfiguriert sein, der ein Elektrolytkondensator mit einem flüssigen Elektrolyten und einem festen Elektrolyten aus leitfähigen Polymerpartikeln ist. Das Polymer kann die Anodenfolie, die Kathodenfolie, die Separatoren und die Fahnen, die die Anodenfolie und die Kathodenfolie elektrisch verbinden, bedecken.
Eine Anodenanschlussfahne ist eine elektrisch leitfähige Anschlussfahne, die die Anodenfolie eines Elektrolytkondensators elektrisch und mechanisch mit einem externen Kontakt verbindet.
Die Anodenanschlussfahne kann als ein flexibler Metallstreifen konfiguriert sein, der an der Anodenfolie auf einer Seite und einem externen Kontakt auf der anderen Seite fixiert ist.
Der Metallstreifen kann ein elektrisch leitfähiges Metall, bevorzugt Aluminium (Al), umfassen. Der Metallstreifen kann eine Metallfolie, bevorzugt eine Aluminiumfolie, umfassen.
Der externe Kontakt kann als ein Boden oder eine Bedeckung eines Bechers konfiguriert sein, der den Elektrolytkondensator aufnimmt. In einer Ausführungsform nimmt der Becher den Kondensator und einen flüssigen Elektrolyten auf.
Die externen Kontakte können als separate Elemente konfiguriert sein. Bevorzugt können die externen Kontakte in die Abdeckung des Bechers oder in den Boden des Bechers integriert sein.
Der Elektrolytkondensator kann ein Wicklungselement umfassen.
Der Kondensator und in einer Ausführungsform das Wicklungselement umfasst eine Anodenfolie, eine Kathodenfolie und einen Separator. Der Separator trennt Anodenfolie und Kathodenfolie.
Die Anodenanschlussfahne kann durch Klemmen oder Schweißen an der Anodenfolie und dem externen Kontakt fixiert sein. Die Anodenanschlussfahne kann bevorzugt durch Schweißen fixiert sein.
Der Elektrolytkondensator ist mit einem flüssigen Elektrolyten imprägniert.
Die elektrische Anschlussfahne steht in direktem Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyten des Elektrolytkondensators.
Im Allgemeinen sind in einem derartigen Kondensator unerwünschte Nebenreaktionen zwischen diesem flüssigen Elektrolyten und dem elektrischen Anschlussmaterial möglich.
Es ist unvermeidlich, dass die Oberfläche der elektrischen Anschlussfahne mindestens einen minimalen Gehalt an Verunreinigungen umfasst. Darüber hinaus umfasst auch der flüssige Elektrolyt unvermeidbare Verunreinigungen. Die Verunreinigungen lösen unerwünschte Nebenreaktionen aus und beschleunigen sie. Typische unerwünschte Verunreinigungen umfassen Halogene wie etwa Chlor (Cl), Iod (I), Brom (Br) und Fluor (F). Insbesondere ist ein kleinster Gehalt an Cl unvermeidbar.
Durch Aufrauen der Oberfläche der Anschlussfahne wird der Flächeninhalt der Anschlussfahne vergrößert. Die Verunreinigungen werden auf der vergrößerten Oberfläche weit verbreitet. Das bedeutet, dass räumliche Distanzen zwischen einzelnen Verunreinigungspartikeln vergrößert werden und somit die Konzentration von Verunreinigungen pro Flächeninhalt gesenkt wird.
Verunreinigungen wie etwa Halogenionen und organische (Halogen-) Verbindungen bewirken unerwünschte Nebenreaktionen zwischen einem Anodenanschlussfahnenmaterial und einem die Anschlussfahne umgebenden flüssigen Elektrolyten.
In den Nebenreaktionen wird das Anschlussfahnenmaterial chemisch in lösbare (Halogen-)Salze umgewandelt, die sich in dem wässrigen flüssigen Elektrolyten auflösen.
In einem Worst-Case-Szenario verursachen solche Nebenreaktionen eine totale Auflösung der Anodenanschlussfahne. Eine große Verteilung solcher Verunreinigungen verhindert die Entstehung von Clustern von Verunreinigungen, die die Nebenreaktionen beschleunigen.
In weiteren Ausführungsformen ist die Anodenanschlussfahne durch eine Oxidschicht geschützt. Jedoch ist eine Oxidschicht mit dem Risiko verbunden, dass innerhalb der Schicht Risse und Hohlräume gebildet werden. Solche Risse oder Hohlräume liefern Reaktions-Hotspots, bei denen es sich um Orte handelt, an denen Nebenreaktionen bevorzugt stattfinden.
Nebenreaktionen können unterdrückt werden, indem nur geringe Mengen an Verunreinigungskomponenten an den Hotspot-Orten bereitgestellt werden. Durch Aufrauen der Oberfläche und Vergrößern der Oberfläche können die Konzentration von Verunreinigungen auf der Oberfläche und die Konzentration von Verunreinigungen an solchen Hotspots reduziert werden.
Der flüssige Elektrolyt umfasst unvermeidbare Verunreinigungen wie Halogenionen und -verbindungen, wie etwa Cl.
Wenn sich die Verunreinigungen an einer einzelnen Stelle der elektrischen Anschlussfahne häufen, werden die Nebenreaktionen beschleunigt.
Aufgrund von Nebenreaktionen nimmt die Konzentration von Verunreinigungskomponenten an den Reaktionsstellen, wo die Nebenreaktionen stattfinden, ab. Dies verursacht eine Diffusion weiterer Verunreinigungsverbindungen zu den Reaktionsstellen.
Weiter führen die Nebenreaktionen auch zu einem Überschuss an positiven Kationen an den Reaktionsstellen, was ferner die Diffusion negativ geladener Anionen wie Halogenionen zu den Reaktionsstellen bewirkt.
Aufgrund dieser Effekte werden die Nebenreaktionen beschleunigt und lösen die Anschlussfahne auf.
Durch Aufrauen der Oberfläche kann die Entstehung von Konzentrations-Hotspots von Verunreinigungen auf der Oberfläche der Anschlussfahne, was die beschriebenen unerwünschten Effekte verursacht, verhindert werden.
In einer Ausführungsform ist der spezifische Flächeninhalt der aufgerauten Oberfläche mindestens zehnmal größer als der spezifische Flächeninhalt einer glatten Oberfläche.
Die beschriebene Rauheit verhindert eine unerwünschte Akkumulation von Verunreinigungskomponenten auf der Oberfläche der elektrischen Anschlussfahne. Die Entstehung von Konzentrationsclustern von Verunreinigungskomponenten wird weiter verringert.
In einer Ausführungsform beträgt die spezifische Kapazität der aufgerauten Oberfläche 3 µF/cm² oder mehr. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die spezifische Kapazität der aufgerauten Oberfläche 5 µF/cm² oder mehr und ganz besonders bevorzugt 30 µF/cm² oder mehr.
Die spezifische Kapazität ist die elektrische Kapazität der aufgerauten Oberfläche relativ zu der Fläche der Oberfläche, in einer Ebene projiziert.
Die spezifische Kapazität kann experimentell bestimmt werden.
Beispielsweise kann die spezifische Kapazität in einem stark leitfähigen Elektrolyten unter Verwendung eines LCR-Messgeräts (Induktanz L, Kapazität C und Widerstand R) gemessen werden. Zwei Fahnenproben werden gegeneinander gemessen.
Eine hohe spezifische Kapazität verringert das Risiko unerwünschter Nebenreaktionen und eines elektrischen Lecks oder eines Kurzschlussphänomens.
Ein zusätzlicher Vorteil einer Anodenanschlussfahne mit großer Oberfläche besteht darin, dass der spezifische Kapazitätswert der Anodenanschlussfahne mit großer Oberfläche nahe an einem üblichen spezifischen Kapazitätswert des Anodenfolien-Kapazitätswerts liegt. Somit wird das Risiko einer ungleichmäßigen Stromverteilung auf der Oberfläche der Anodenfolie gegenüber der Oberfläche der Anodenanschlussfolie verringert und infolgedessen wird das Risiko eines katastrophalen Kurzschlusses zwischen Anodenanschlussfahne und der Anode des Kondensators minimiert.
In einer Ausführungsform umfasst die Anodenanschlussfahne Aluminium als ein Hauptmaterial.
Aluminium weist als Basismetall eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen vergleichbar niedrigen Preis auf.
Weiterhin weist Aluminium gute Formbarkeit und gute Flexibilität auf.
Somit können flexible Fahnen in einer gewünschten Form leicht hergestellt werden, die gegenüber externen mechanischen Einwirkungen eine hohe Robustheit zeigen.
In einer Luftatmosphäre reagiert Aluminium mit Luftsauerstoff, um automatisch eine Aluminiumoxid-Schutzschicht zu bilden.
Bei einer Ausführungsform wird die aufgeraute Oberfläche durch eine Oxidschicht passiviert.
Falls die Anodenanschlussfahne Aluminium umfasst, kann die Oxidschicht automatisch durch Reaktion des Aluminiums mit Luftsauerstoff gebildet werden.
Ansonsten oder alternativ kann die Oxidschicht während der Herstellung der Anschlussfahne aufgebracht werden.
Die Oxidschicht schützt die Anschlussfahne zusätzlich gegenüber äußeren Einwirkungen wie etwa chemischen Oberflächenreaktionen.
Falls unerwünschte Risse oder Hohlräume innerhalb der Oxidschicht erscheinen, wirkt das Aufrauen der Oberfläche als ein zweites Schutzmittel.
In einer Ausführungsform weist die Oxidschicht mindestens eine Dicke von 3 nm auf.
In einer Oxidschicht mit dieser Dicke kann das Risiko eines Kontakts zwischen dem flüssigen Elektrolyten und der Oberfläche der Anodenanschlussfahne minimiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter einen Aluminiumelektrolytkondensator bereit, der die Anodenanschlussfahne gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst der Aluminiumelektrolytkondensator mindestens zwei oder mehr Anodenanschlussfahnen. Mindestens eine oder alle der Anodenanschlussfahnen sind gemäß einer beliebigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert.
Die Verwendung von zwei oder mehr Anodenanschlussfahnen zum Verbinden der Anodenfolie mit dem externen Kontakt oder mehreren externen Kontakten gestattet die Verwendung einer langen und breiten Anodenfolie. Die Verwendung von mehreren Fahnen reduziert weiter den Metallwiderstand des Wicklungselements, da ein Strom an mehreren Orten in das Wicklungselement eingespeist werden kann, wodurch die Länge reduziert wird, über die sich der Strom innerhalb des Wicklungselements ausbreiten muss.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Herstellen einer Anodenanschlussfahne unter Bereitstellung einer aufgerauten Oberfläche bereit.
Die kann gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert sein.
Das Herstellungsverfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte.
In einem ersten Schritt wird eine Anodenanschlussfahne mit einer glatten Oberfläche bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt wird die glatte Oberfläche durch chemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, mechanische Behandlung, Plasmabehandlung, Laserbehandlung oder Kombinationen aus den Prozessen aufgeraut, bis eine spezifische Kapazität von 3 µF/cm² oder mehr erzielt wird.
Die spezifische Kapazität entspricht direkt dem Flächeninhalt und somit der Oberflächenrauheit der Oberfläche der Anodenanschlussfahne.
Nachfolgend werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf beiliegende Figuren ausführlicher erläutert. Ähnliche oder offensichtlich identische Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren und die Proportionen in den Figuren sind nicht skalierbar. Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsformen beschränkt. Die Figuren zeigen:

1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Wicklungselements eines Elektrolytkondensators.
2 zeigt ein Bild einer glatten Anodenanschlussfahne nach dem Stand der Technik.
3 zeigt eine erfindungsgemäße aufgeraute Anschlussfahnenoberfläche.

Die Aufnahme in 2 und 3 sind durch REM (Rasterelektronenmikroskopie) aufgenommen.
1 zeigt ein Bild einer ersten Ausführungsform eines Wicklungselements eines Elektrolytkondensators 1.
Das Wicklungselement 2 weist beispielsweise einen Durchmesser von über 10 mm und eine Höhe von über 12 mm auf.
Das Wicklungselement 2 kann in einem zylindrischen Becher untergebracht sein. Der Becher kann einen Boden und eine Wand umfassen und kann durch eine Kappe oder Abdeckung (in 1 nicht gezeigt) bedeckt sein.
Das Wicklungselement 2 umfasst eine Anodenfolie 3, eine Kathodenfolie 4 und einen Separator 5, die um eine gemeinsame Achse gewickelt sind. Der Separator 5 ist zwischen der Anodenfolie 3 und der Kathodenfolie 4 angeordnet. Das Wicklungselement 2 umfasst weiterhin einen weiteren Separator, der ebenfalls zwischen der Anodenfolie 3 und der Kathodenfolie 4 angeordnet ist und der in 1 nicht gezeigt ist, um die Figur zu vereinfachen. Insbesondere sind die Anodenfolie 3, der Separator 5, die Kathodenfolie 4 und der andere Separator in dieser Reihenfolge gestapelt und dann um die Achse gewickelt. Das Wicklungselement 2 kann mit einem Elektrolyten (standardmäßiger Aluminiumelektrolytkondensator) oder mit einem Polymer und einem Arbeitselektrolyten (Hybridpolymerkondensator) imprägniert sein.
Der Kondensator 1 umfasst weiter einen flüssigen Elektrolyten 6.
Die Anodenfolie 3 umfasst eine Aluminiumfolie. Die Oberfläche der Aluminiumfolie kann zum Beispiel durch einen Ätzprozess aufgeraut sein.
Ein dielektrischer Oxidfilm ist durch Eigenoxidation oder eine Oxidationsbehandlung auf der Oberfläche gebildet. Somit umfasst die Anodenfolie 3 eine Aluminiumfolie mit einer Oxidschicht auf ihrer Oberfläche.
Die Kathodenfolie 4 umfasst ebenfalls eine Aluminiumfolie, wobei die Oberfläche der Aluminiumfolie durch einen Ätzprozess aufgeraut sein kann und ein dielektrischer Oxidfilm durch Eigenoxidation oder durch eine Oxidationsbehandlung auf der Oberfläche gebildet ist. Somit umfasst die Kathodenfolie 4 ebenfalls eine Aluminiumfolie mit einer Oxidschicht auf ihrer Oberfläche.
Jeder der Separatoren 5 ist ein Papier, das imprägniert sein kann.
Die gemeinsame Achse, um die das Wickelelement 2 gewickelt ist, definiert eine axiale Richtung.
Das Wickelelement 2 umfasst weiter Fahnen 7, 8, die zum elektrischen Kontaktieren des Wicklungselements 2 verwendet werden. Das Wicklungselement 2 umfasst zwei Anodenanschlussfahnen 7, die beide mit der Anodenfolie 3 verbunden sind. Die mit der Anodenfolie 3 verbundenen Anodenanschlussfahnen 7 erstrecken sich in einer positiven axialen Richtung.
Weiter umfasst das Wicklungselement 2 zwei Kathodenanschlussfahnen 8, die mit der Kathodenfolie 4 verbunden sind.
Die mit der Kathodenfolie 4 verbundenen Kathodenanschlussfahnen 8 erstrecken sich in der negativen axialen Richtung, das heißt in der entgegengesetzten Richtung zu den mit der Anodenfolie 3 verbundenen Anodenanschlussfahnen 7 oder ebenfalls in der positiven axialen Richtung.
Die Verwendung von mehreren Anodenanschlussfahnen 7 zum Anschließen der Anodenfolie 3 gestattet die Verwendung von langen und breiten Folien 3. Die Verwendung von mehreren Fahnen 7 reduziert weiter den Metallwiderstand des Wicklungselements 2, da ein Strom an mehreren Stellen in das Wicklungselement 2 eingespeist werden kann, wodurch die Länge reduziert wird, über die sich der Strom innerhalb des Wicklungselements 2 ausbreiten muss.
Die elektrisch leitfähigen Anschlussfahnen 7, 8 sind als an der Anodenfolie 3 oder der Kathodenfolie 4 auf einer Seite und an einem externen Kontakt auf der anderen Seite fixierte flexible Metallstreifen konfiguriert.
Der externe Kontakt kann ein separates Element sein. Bevorzugt kann der externe Kontakt in die Abdeckung des Bechers oder in den Boden des Bechers integriert sein.
Die Anodenanschlussfahnen 7 verbinden die Anodenfolie 3 elektrisch und mechanisch mit einem externen Kontakt.
Die Metallstreifen der Anodenanschlussfahnen 7 umfassen ein elektrisch leitfähiges Metall. In dem vorliegenden Beispiel umfassen die Metallstreifen Aluminium (Al) als ein Hauptmaterial.
Insbesondere umfassen die Anodenanschlussfahnen 7 eine Aluminiumfolie mit großer Oberfläche.
Zum Bereitstellen einer Aluminiumfolie mit großer Oberfläche wird die üblicherweise glatte Oberfläche einer Aluminiumfolie aufgeraut beispielsweise durch chemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, mechanische Behandlung, Plasmabehandlung, Laserbehandlung oder Kombinationen aus den Prozessen, bis eine aufgeraute Oberfläche erzielt wird, deren Fläche mindestens fünfmal größer ist als der spezifische Flächeninhalt einer glatten Oberfläche.
Bevorzugt ist die Fläche mindestens zehnmal größer als der spezifische Flächeninhalt einer glatten Oberfläche.
Der spezifische Flächeninhalt ist das Verhältnis aus einem absoluten Flächeninhalt und dem Flächeninhalt einer projizierten Ebene.
Eine spezifische Kapazität von 3 µF/cm² oder mehr oder bevorzugt 5 µF/cm² oder mehr oder besonders bevorzugt 30 µF/cm² oder mehr wird durch Aufrauen der Oberfläche erzielt. Die spezifische Kapazität der Aluminiumfolie entspricht direkt ihrer spezifischen Oberfläche.
Das ganze Wicklungselement 2 einschließlich der Anodenanschlussfahnen 7 wird durch einen flüssigen Elektrolyten imprägniert.
Auf den glatten Anschlussfahnenoberflächen nach dem Stand der Technik, wie in 2 gezeigt, führt durch Halogenanionen oder durch organische Halogenverbindungen, umfassend Halogene, verursachte elektrochemische Korrosion zur Zersetzung der Anodenanschlussfahnen.
Der Halogengehalt der Rohmaterialien der Aluminiumelektrolytkondensatoren kann niemals vollständig eliminiert werden. Deshalb umfassen der Elektrolyt 6 sowie die Oberfläche der Anodenanschlussfahnen 7 mindestens kleine Mengen von Halogenen, üblicherweise etwa 0,1-0,2 mg/m² (Halogen/Oberfläche der Anodenanschlussfahne 7) oder 0,1-0,2 mg/kg (Halogen/Elektrolyt) und bevorzugt nicht mehr als 0,5 mg/m² (Halogen/Oberfläche der Anodenanschlussfahne 7) oder 0,5 mg/kg (Halogen/Elektrolyt).
Andererseits können geringe Mengen an Halogenen wie etwa Cl-, Br-, I- und F-Ionen Korrosionsreaktionen initiieren.
Das häufigste Halogen ist Cl, was eine natürliche Verunreinigung von fast jedem Rohmaterial ist. Die Halogenionenreaktion mit der Anodenanschlussfahne 7 ist selbstbeschleunigend und bewirkt einen frühen Ausfall von Kondensatoren nach dem Stand der Technik, wenn Temperatur und angelegte Spannung an Kondensatoren steigen.
Halogenreaktionen mit metallischen Al erzeugen lösliche Al-Salze der Halogenionen in einer vergleichsweise schnellen Reaktion R2. Daneben reagiert auch Aluminiumoxid mit den Halogenionen in einer vergleichsweise langsamen Reaktion R1 in Anwesenheit eines sauren Elektrolyten. Übliche Elektrolyte umfassen beispielsweise Carbon- und/oder Dicarbonsäuren und/oder Borsäure. Daneben kann sogar Wasser, was in dem Elektrolyt immer vorliegt, als eine Säure wirken.
In Anwesenheit von Wasser dissoziieren die Halogenionen wieder in der Reaktion R3 und starten neue Reaktionen mit Aluminium oder Aluminiumoxid (R1, R2). Schließlich wird eine Kettenreaktion gestartet. Außerdem können niedrige Gehalte von Wasser in dem Elektrolyten die beschriebenen Reaktionen auslösen. Jeder übliche Elektrolyt umfasst mindestens eine kleine Menge an Wasser. Das typische Verhältnis von Wasser in dem Elektrolyten liegt zwischen 0,5% und 16% und in dem Fall von für Hochspannungskondensatoren verwendeten Elektrolyten bevorzugt zwischen 3% und 5%.
Der Buchstabe X in den folgenden Formeln symbolisiert ein beliebiges Halogen (Cl, Br, I, F). Al2O3 + 6H⁺ + 6X^- → 2A1X3 + 3H2O (R1) Al + 3X^- → AlX3 + 3e^- (R2) 2AlX3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H⁺ + 6X^- (R3)
Da in der Reaktion R2 Elektronen durch die Anode aufgenommen werden, akkumulieren sich negativ geladene Anionen an der Reaktionsstelle.
Falls die Konzentration an Halogenionen in einem Punkt der Oberfläche zu hoch wird, entstehen sogenannte Cluster, wo das metallische Aluminium vollständig reagieren kann, was zur Zersetzung der Aluminiumfolie und somit der Anodenanschlussfahne führt.
Insbesondere führen Risse oder Hohlräume 9 in der Oxidschicht, die niemals vollständig vermieden werden können, zu der Entstehung solcher Cluster.
Eine Anodenanschlussfahnenoberfläche mit einer die beschriebenen Hohlräume und Risse zeigenden Oxidschicht ist in 2 gezeigt.
Falls andererseits die Konzentration an Halogenionen auf der Oberfläche niedrig ist, reagieren die Säuren in dem Elektrolyten mit dem Aluminium in einer vergleichsweise langsamen Reaktion unter Bildung einer Aluminiumoxidschicht, die das Aluminiummaterial der Anodenfahne 7 vor äußeren chemischen Einwirkungen schützt.
Beispielsweise kann das Aluminium mit oxidierenden Dicarbonsäuren oder Borsäure des flüssigen Elektrolyten reagieren: 2Al + 3O2^- → Al2O3 + 6e^-
Aufgrund der großen Oberfläche der aufgerauten Aluminiumfolie, wie in 3 gezeigt, sind die Halogenionen auf der Oberfläche homogen verteilt und auf der Oberfläche werden keine Cluster mit lokal hoher Stromdichte erreicht. Durch das zehnfache Vergrößern der spezifischen Oberfläche kann die Oberflächenkonzentration an Halogenen auf bevorzugt weniger als 0,05 mg/m² verringert werden. Somit verlangsamt sich die beschriebene Reaktion aufgrund lokal begrenzter Halogenionen.
In diesem Fall kann sogar bei hohen Temperaturen und bei hohen Spannungen der Elektrolyt wegen der sehr niedrigen Halogenkonzentration die Oberfläche der Anodenanschlussfahnen 7 schneller oxidieren als die Oxidationsschicht oder die Aluminiumfolie selbst durch die Halogenionen zerstört wird.
Die Dicke der Oxidschicht ist bevorzugt größer als 3 nm.
Typische Arbeitsbedingungen des beschriebenen Kondensators sind hohe Spannungen von 550 V oder mehr und Temperaturen von etwa 105°C.
Die Lebensdauer des beschriebenen Kondensators vor der Zersetzung der Anodenanschlussfahne beträgt über 3000 Stunden. Bevorzugt beträgt die Lebensdauer mehr als 5000 Stunden.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolytkondensator
2: Wicklungselement
3: Anodenfolie
4: Kathodenfolie
5: Separator
6: Elektrolyt
7: Anodenanschlussfahne
8: Kathodenanschlussfahne
9: Risse in der Oxidschicht

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

DE 102016125733 A1 [0005]

Claims

Anodenanschlussfahne (7), konfiguriert zum externen Kontaktieren einer Anodenfolie (3) in einem Elektrolytkondensator (1), wobei die Anodenanschlussfahne (7) eine aufgeraute Oberfläche aufweist, die die Anodenanschlussfahne (7) gegenüber Oberflächenauflösung schützt.
Anodenanschlussfahne (7) nach Anspruch 1, wobei der spezifische Flächeninhalt der aufgerauten Oberfläche mindestens zehnmal größer ist als der spezifische Flächeninhalt einer glatten Oberfläche.
Anodenanschlussfahne (7) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spezifische Kapazität der aufgerauten Oberfläche 3 µF/cm² oder mehr beträgt.
Anodenanschlussfahne (7) nach Anspruch 1 bis 3, umfassend Aluminium als ein Hauptmaterial.
Anodenanschlussfahne (7) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die aufgeraute Oberfläche durch eine Oxidschicht passiviert ist.
Anodenanschlussfahne (7) nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Oxidschicht mindestens eine Dicke von 3 nm aufweist.
Aluminiumelektrolytkondensator (1), umfassend die Anodenanschlussfahne (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Aluminiumelektrolytkondensator (1), umfassend mindestens zwei Anodenanschlussfahnen (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung einer Anodenanschlussfahne (7), die eine aufgeraute Oberfläche aufweist, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Anodenanschlussfahne (7) mit einer glatten Oberfläche, und Aufrauen der glatten Oberfläche durch chemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, mechanische Behandlung, Plasmabehandlung, Laserbehandlung oder Kombinationen der besagten Prozesse, bis eine spezifische Kapazität von 3 µF/cm² oder mehr erreicht ist.