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Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Tantal oder Niob für
Elektrolytkondensatoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Elektrode mit großer wirksamer Oberfläche aus Tantal oder Niob für Elektrolytkondensatoren,
die aus einem massiven Kern, vorzugsweise aus dem gleichen Metall, besteht, auf
dem eine poröse gesinterte, höchstens etwa 1/4 mm starke Schicht aus Tantal oder
Niob aufgebracht ist. Eine solche Elektrode kann nach der Formierung durch elektrolytische
Oxydation als Anode mit einer Kathode, die aus einem Metall, z. B. Silber oder Nickel,
besteht, das nicht durch den Elektrolyten korrodiert wird, zu einem Elektrolytkondensator
zusammengebaut werden. Auch ist mit zwei solcher Elektroden ein bipolarer Elektrolytkondensator
erzielbar.
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Um eine Elektrode mit großer Oberfläche zu erhalten und somit eine
hohe Kapazität eines mit dieser Elektrode hergestellten Kondensators zu erzielen,
wird die Elektrode vielfach durch Sintern aus Tantal- und Niobpulver hergestellt,
weil ein Ätzverfahren, wie es bei Kondensatoren mit Aluminiumelektroden üblich ist,
bei diesen Metallen keine hinreichende Oberflächenvergrößerung ergibt. Die Formgebung
der Elektroden aus Tantal oder Niob erfolgt bekanntlich durch Pressen. Üblicherweise
wird das Metallpulver nach Zusatz eines Bindemittels um einen Kern herumgepreßt,
der vorzugsweise aus dem gleichen Metall besteht. Bei Massenfertigung ist das Aufbringen
einer Metallpulverschicht mit einer Stärke von weniger als etwa 1/2 mm durch einen
Preßvorgang nicht einwandfrei durchführbar. Infolgedessen weist die gepreßte Elektrode
nach ihrer Sinterung und Formierung lange Kapillarporen auf, in denen der Widerstand
des Elektrolyten bei einer Anwendung in einem Kondensator so groß sein kann, daß
bei Erhöhung der Frequenz einer angelegten Spannung der Widerstandsteil der sich
ergebenden Impedanz in den weiter innen liegenden Teilen der Poren den kapazitiven
Teil derart übersteigt, daß der Beitrag dieser Teile der Poren zur Kapazität des
Kondensators immer geringer wird. Dies hat eine starke Frequenzabhängigkeit des
Kondensators zur Folge, die bei gegebener Kapazität pro Volumeinheit der porösen
Schicht dadurch verringert werden kann, daß dafür Sorge getragen wird, daß die Poren
so kurz sind, daß der Widerstand in den Poren niedrig genug wird, um die beschriebenen
Nachteile zu beseitigen.
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Es ist ferner bereits bekannt, Aluminium-Wickelkondensatoren dadurch
herzustellen, daß ein Träger aus nichtmetallischem, faserigem Material mittels des
Schoopschen Spritzverfahrens mit einer Al-Schicht von einer Stärke von etwa 25 bis
125 #t versehen wird, die durch Formierung oberflächlich in eine dielektrische Schicht
umgewandelt wird.
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Zum Erzielen einer wenig frequenzabhängigen Kapazität ist bei der
Verwendung von Tantalpulver, aus dem durch Sintern eine Elektrode hergestellt wird,
beispielsweise bei einer Schichtstärke von etwa 1/2 mm, eine Korngröße von weniger
als etwa 50 #t nicht zulässig. Eine durch Pressen solcher Körner erzielte Anode
mit einer Länge von 5 mm ergibt nach Sintern auf etwa 1900° C im Vakuum und nach
Formierung bei 8 V, wenn sie in einem silbernen Kathodenrohr mit einem Innendurchmesser
von 3,5 mm, das mit 25 n-Phosphorsäure als Elektrolyt gefüllt ist, angeordnet wird,
einen Kondensator mit einer Kapazität von 2'4 RF bei 50 Hz und von 22 RF bei 5000
Hz. Wenn man jedoch von einem Tantalpulver mit einer Korngröße von etwa 1 #t ausgeht,
so ergibt sich bei sonst gleichen Abmessungen und gleicher Behandlung ein Kondensator
mit einer Kapazität von 35 #tF bei 50 Hz und von 27 RF bei 5000 Hz.
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Hieraus ergibt sich, daß mit dem groberen Pulver ein weniger frequenzabhängiger
Kondensator erhalten wird. Die Kapazitätsverringerung in dem erwähnten Frequenzbereich
ist nämlich nur 8'°/o im Vergleich zu 24% bei dem feineren Pulver. Andererseits
ist jedoch bei Verwendung des groberen Pulvers die Kapazität sowohl bei 50 wie bei
5000 Hz niedriger als bei der Verwendung des feinen Pulvers. Außerdem ist zum Aufbau
der wirksamen Schicht aus dem groben Pulver etwa 50 mg, aus dem feinen Pulver aber
nur etwa 35 mg Tantal erforderlich; aus diesem Grunde ist die
erzielte
Kapazität je Gewichtseinheit Tantal bei dem groben Pulver ungünstiger als bei dem
feinen Pulver.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß beim Aufbringen des Tantalpulvers
oder des Niobpulvers in einer Schichtstärke von höchstens etwa 1/4 mm die Ver-1vendung
von Tantal- oder N iobpulver erfindungsgemäß mit einer Korngröße von 1 u oder weniger
einen Kondensator ergibt mit einer Kapazität, die überraschenderweise wenig von
der Frequenz abhängig ist. Überdies ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß der
Wert der Kapazität pro Volumeinheit günstiger ist als bei den oben beschriebenen
Kondensatoren.
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Ein Kondensator mit einer Anode, die mit einer derartigen Schicht
nach der Erfindung versehen ist und sonst einen Aufbau besitzt wie die vorstehend
beschriebenen Kondensatoren, zeigt eine Kapazität von 14.5 hF bei 50 Hz und eine
Kapazität von 13,5 @,F bei 50Ö0 Hz. Im Vergleich zum Kondensator, dessen Anode durch
Aufpressen einer Schicht aus dem gleichen Tantalpulver, jedoch mit einer Stärke
von 1,!2 mm hergestellt ist, ist die Kapazitätsverringerung im Frequenzbereich von
50 bis 5000 Hz von 24% auf 711/o herabgefallen. Zwar ist infolge der Verringerung
der Schichtstärke die Kapazität bei 50 bzw. bei 5000 Hz auf etwa 40 bzw. 50°/o abgefallen,
aber diese Werte wurden mit einer Verringerung der Tantalpulvermenge von 35 auf
13 mg erzielt, so daß die Kapazität je Gewichtseinheit bei der 1/4 mm starken Schicht
noch etwas günstiger ist.
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Eine derartige Schicht läßt sich durch Pressen schwer herstellen.
Durch das Schoopsche Spritzverfahren wäre eine solche dünne Schicht zwar anzubringen;
man bekommt auf diese Weise aber eine ganz andere Struktur als durch Sintern von
Metallpulver und hat iferdies die Korngröße nicht in der Hand. Mit dem Schoopschen
Spritzverfahren läßt sich Zwar ebenfalls ein wenig von der Frequenz abhängiger Kondensator
herstellen, jedoch ist dann der Kapazitätswert pro Volumeinheit wesentlich kleiner
als bei Elektroden nach der Erfindung.
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Die Aufbringung einer Suspension erwies sich als besonders geeignet
zum Erzielen der gewünschten dünnen Schichten. Ein derartiges Verfahren, bei dem
eine Schicht auf einen Kern aufgebracht und dann gesintert wird, ist im übrigen
zum Herstellen von Elektroden mit großer wirksamer Oberfläche für Elektrolytkondensatoren
bereits vor mehr als 20 Jahren vorgeschlagen worden. Dieses Verfahren hat jedoch
damals keinen Eingang in die Praxis gefunden, weil bei dem seinerzeit für die Herstellung
von Elektrolytkondensatoren in industriellem Umfang ausschließlich in Frage kommenden
Aluminium einfachere Verfahren, insbesondere das Ätzverfahren, zur Verfügung standen.
Außerdem traten bei Kondensatoren mit geätzten Aluminiumelektroden die vorstehend
erläuterten Probleme nicht oder nur in stark verringertem 1-Iaße auf, während das
Ätzv erfahren bei Tantal und -'Viob keine genügende Oberflächenvergrößerung ergibt.
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Das eingangs genannte Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit
großer wirksamer Oberfläche aus Tantal oder Niob für Elektrolytkondensatoren weist
somit nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß die Pulverschicht aus einer Suspension
des -Metallpulvers mit einer Korngröße von 1 #t oder weniger in an sich bekannter
Weise auf den Kern aufgebracht und anschließend gesintert wird.
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Das Aufbringen kann nicht nur durch Eintauchen des Kernes in die Suspension,
sondern auch auf elektrophoretischem Wege erfolgen.
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Beispielsweise wird 3 g Tantalpulver mit einer Korngröße von etwa
1 #x in 1,15 cin3 einer verdünnten Lösung von 1 g Polystyrol in 11,5 cm2 Benzol
suspendiert. Mit dieser Suspension wird ein Tantalkern mit einer Schicht von 0,1
mm versehen, die bei einer Länge der Schicht von 5 mm etwa 5 mg Tantal enthält.
Bei sonst gleichem Aufbau, wie bei den vorstehend beschriebenen Kondensatoren, ergibt
sich jetzt ein Kondensator mit einer Kapazität von 10 g,F bei 50 Hz und von 9,7
g,F bei 5000 Hz. Die Kapazitätsverringerung zwischen 50 und 5000 Hz, die von 24%
bei einer Schichtstärke von 1/2 mm auf 7% bei einer Schichtstärke von 1/4 mm herabgefallen
war, ist somit weiter auf 3% bei einer Schichtstärke von 0,1 mm herabgesetzt. Außerdem
ist die Kapazität je Gewichtseinheit Tantal, die bei einer Schichtstärke von 1/2
mm und von 1/4 mm etwa 1 RF je Milligramm betrug, auf 2 RF je Milligramm erhöht,
d. h. etwa verdoppelt.