DE1110313B

DE1110313B - Elektrolytkondensator mit Tantalanode

Info

Publication number: DE1110313B
Application number: DEM33737A
Authority: DE
Inventors: James M Booe
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1954-11-16
Filing date: 1957-03-29
Publication date: 1961-07-06
Also published as: US2834926A; GB782818A

Description

INTERNAT.KL. H 01 g

DEUTSCHES

PATENTAMT

M33737Vmc/21g

ANMELDETAG: 29. MÄRZ 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER

AUSLEGESCHRIBT: 6. JULI 1961

Elektrolytkondensatoren mit einer Tantalanode, einer Silber- oder Goldkathode und einem Elektrolyten, bestehend aus einer wäßrigen Lösung eines Alkali-Metallchlorids, vorzugsweise Lithiumchlorids oder Salzsäure von einer nur eine vernachlässigbare Ätzwirkung auf die Elektroden ausübenden Konzentration, sind bekannt.

Diese Kondensatoren arbeiten nach dem Prinzip der elektrolytischen Auflösung von Silber in der Kathode bei Stromnuß durch den Kondensator in einer Richtung und des elektrolytischen Niederschlagens von Silberionen an der Kathode bei Stromdurchfluß durch den Kondensator in entgegengesetzter Richtung. Die Auflösung und das Niederschlagen von Silberionen schließen die Bildung von Gasfilmen, Korrosionsfilmen und asymmetrisch leitenden Filmen in der Kathode aus und verhindern oder verringern dielektrische Verluste.

Obwohl die Depolarisation nach diesem Prinzip wirksam ist, findet sie eine Grenze bei Kondensatoren sehr kleiner Abmessungen, bei denen Anode und Kathode einen geringen Abstand voneinander haben. In solchen Fällen führt der kontinuierliche Niederschlag von Metall an der Kathode schließlich zur Erzeugung von Kurzschluß.

Erfindungsgemäß wird die Depolarisation an der Kathode nach dem Prinzip der Reduktion und Oxydation anorganischer Ionen im Elektrolyten dadurch verhindert, daß der Elektrolyt als Depolarisator Ferrichlorid in der Größenordnung von zwischen 10 und 200 g pro Liter enthält.

Ferrichlorid (FeCl₃) allein hat sich als hochwirksam erwiesen, indessen depolarisiert es nur im Ladeteil der Wechselstromperiode und auch des Leck- und Gleichstromes. Die Depolarisation findet dabei durch Reduktion des Ferriions zum Ferroion statt.

Eine vollkommene Depolarisation erhält man, wenn der Elektrolyt des Depolarisators zusätzlich eine geringere Menge Ferrochlorid (FeCl₂), vorzugsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 g pro Liter, enthält.

An sich ist die Verwendung eines Gemisches von Wasser, Salzsäure und Eisenchlorid als ätzende Lösung für Aluminium bekannt. Dabei handelt es sich aber nicht um einen Elektrolyten, dem eine Tantalanode eines Kondensators dauernd ausgesetzt ist.

Ferner ist es bekannt, bei Tantalelektrolytkondensatoren Lithiumchlorid als Elektrolyt zu verwenden. Bei diesem bekannten Kondensator fehlt der Zusatz von Ferrichlorid bzw. Ferrochlorid zu dem Elektrolyten, so daß die Erfindungsaufgabe, nämlich bei Elektrolytkondensator mit Tantalanode

Anmelder:

P. R. Mallory & Co. Inc.,
Indianapolis, Ind. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

James M. Booe, Indianapolis, Ind. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Kondensatoren sehr kleiner Abmessungen eine wirksame Depolarisation herbeizuführen, nicht gelöst ist. Die Wirksamkeit von Ferrichlorid und Ferrochlorid als depolarisierender Stoff unter Verwendung einer Silber- oder Goldkathode zeigt die nachstehende Tabelle. Es wurde ein Elektrolyt aus Lithiumchlorid (10°/oige Lösung) verwendet, und zwar mit und ohne Eisenchlorid und mit verschiedenen Flächen der Silber- und Goldkathode. Alle Versuche wurden mit einer porösen Tantalanode, einer Kapazität von 78 mfd, gemessen in lOVoigem Lithiumchlorid, benutzt; die Silberkathode hatte eine Fläche von 128 cm².

Silberkathode

Fläche der Silberkathode	LiCl	Kapazität Li Cl+ Fe Cl₃	LiCl+ FeCl₃ + FeCl₂
0,9 cm² 1,8 cm²	53 mfd 62 mfd	65 mfd 70 mfd	80 mfd 82 mfd

Goldkathode

Fläche der Goldkathode	LiCl	Kapazität Li Cl+ Fe Cl₃	Li Cl+ Fe Cl₃ + FeCl₂
0,4 cm² 0,8 cm² 1,28 cm²	39 mfd 44 mfd 48 mfd	65 mfd 72 mfd 75 mfd	77 mfd 82 mfd 82 mfd

109 620/341

Diese Tabelle zeigt, daß bei Anwesenheit von FeCl₃ im Elektrolyten eine wesentliche Vergrößerung der Kapazität eintritt und daß man eine zusätzliche Vergrößerung erreicht, wenn sowohl FeCl₃ als auch FeCl₂ im Elektrolyten vorhanden sind. Ferner zeigt die Tabelle, daß die Kapazität mit Lithiumchlorid als Elektrolyten, der Eisenchloriddepolarisator enthält, mit einer Silberkathode von nur 0,9 cm² oder mit einer Goldkathode von nur 0,8 cm² Fläche höher ist als die Kapazität mit einer Silberkathode von 128 cm² Fläche im gleichen Elektrolyten bei Abwesenheit dieses Depolarisators.

Die Konzentration des Elektrolyten ist nicht entscheidend, zweckmäßig werden aber Konzentrationen gewählt, bei welchen die elektrische Leitfähigkeit möglichst hoch und die Gefriertemperatur möglichst niedrig sind. Diese Bedingungen erfüllt Salzsäure mit einer bevorzugten Konzentration von ungefähr 20% und Lithiumchlorid von ungefähr 25%. In manchen Fällen ist Salzsäure vorteilhafter als Lithiumchlorid, und zwar dank der Tatsache, daß Salzsäure besonders bei niedrigen Temperaturen leitfähiger ist.

Es zeigt sich, daß Ferrichlorid infolge seiner sehr korrodierenden Eigenschaft die Silberkathode oberflächlich angreift. Dies hält aber nicht lange an und hört in verhältnismäßig kurzer Zeit auf, so daß Silberkathoden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vollauf genügen. Gold wird vom Elektrolyten nicht angegriffen; aus diesem Grunde ist es für manche Anwendungsfälle als Kathodenmaterial geeigneter, insbesondere in Form einer dünnen Goldplattierung auf der Silberkathode, wobei eine wesentliche Preissteigerung des Kondensators nicht eintritt.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es stellt dar

Fig. 1 einen Vertikalschnitt des erfindungsgemäßen Kondensators vor Bildung des Deckelteils des Kondensatorbehälters,

Fig. 2 denselben Kondensator nach seiner Fertigstellung, Fig. 3 die Ansicht dieses Kondensators.

Der Kondensator umfaßt ein Gehäuse aus Feinsilberblech in Form eines offenen Bechers mit einem zylindrischen Mantel 12 und einem gekrümmten Boden 13. Da das Gehäuse 11 als Kathode dient, kann es innen- und außenseitig goldplattiert sein; es genügt eine Plattierung von einer Stärke von ungefähr 0,001 cm. Am Gehäuse ist, z. B. durch Schweißung, eine Kathodenklemme 14 befestigt, wie bei 15 angedeutet.

Im Gehäuse oder Behälter 11 befindet sich ein Bodenabstandhalter 16 aus Polystyrol. Dieser besteht aus einem zentralen Teil, von welchem aus sich 3 um 120 Winkelgrade versetzte Arme 17 nach oben erstrecken. Dieser Teil 16/17 dient als Träger und zur Zentrierung der Anode 18, so daß diese außer Berührung mit der Gehäusewand gehalten bleibt. Die Anode 18 umfaßt einen porösen, gesinterten zylindrischen Kern aus Tantal mit einem daran befestigten Stab oder Ansatz 19, ebenfalls aus Tantal. Am Ansatz ist eine Anodenklemme 20 befestigt, z. B. durch Schweißen, wie bei 21 angedeutet. Über einer Schulter 22 des Anodenkernes 18 sitzt ein Deckelabstandhalter 23 aus Polystyrol. Dieser hat eine ebene Bodenfläche, durch welche ein sich nach oben verjungendes Loch gebohrt ist. Die gegenüberliegende Seite des Teiles 23 setzt sich aus einem ebenen Mittelteil und einer radialen, abgeschrägten Fläche zusammen. Die Umfangskante des Abstandhalters 23 stützt sich gegen die Innenwandung des Gehäuses des Kondensators ab und trägt zur Zentrierung und Halterung des Kernes 18 bei.

Über dem Abstandhalter 23 befindet sich eine Dichtung 24 aus elastischem Werkstoff, z. B. Butylkautschuk, die gegen dauernde Verformung widerstandsfähig sowie chemisch inert gegenüber dem Elektrolyten und von geringer Gasdurchlässigkeit ist. Wenn das Gehäuse geschlossen, d. h. aus der Form der Fig. 1 in die Form der Fig. 2 und 3 gedrückt oder gebördelt wird, wird das bis dahin offene Ende des Gehäuses insoweit geschlossen, als es einen ringförmigen Deckel 25 erhält, der in seiner Mitte durch einen Hals 26 aus zusammengepreßtem Dichtungsmaterial geschlossen ist, wobei dieser Hals den Ansatz aus Tantal 19 dicht umgibt. Das Dichtungsmaterial drückt beim Schließen des Gehäuses auch gegen den Deckelabstandhalter. Da dieser auf der Anode und diese ihrerseits auf dem Bodenabstandhalter sowie letzterer auf dem Gehäuseboden ruht, wird die beim Schließen des oberen offenen Endes vom Dichtungskörper ausgeübte Kraft auch auf den Gehäuseboden übertragen. Damit sind alle Teile fest und kompakt zusammengehalten.

Der Zusammenbau des Kondensators erfolgt in der Weise, daß zunächst der Bodenabstandhalter 16 in das Gehäuse auf dessen Boden eingeführt wird. Anschließend werden der Anodenkörper 18, der Deckelabstandhalter 23 und der Dichtungskörper 24 eingesetzt; schließlich wird das Gehäuse mit dem Elektrolyten gefüllt. Wichtig ist, daß der Dichtungskörper unterhalb des zum Zwecke der Halterung des zum Schluß einzubördelnden oberen Teiles des Gehäuses liegt. Hierauf erfolgt das Einbördeln des Gehäuses unter gleichzeitigem Zusammenpressen des Dichtungskörpers von der Stellung der Fig. 1 in jene der Fig. 2 so weit, daß der Dichtungskörper den Stab 19 dicht umschließt. Schließlich wird die Anodenschlußklemme20 angeschweißt oder in anderer Weise befestigt.

Ein Tantalkondensator der beschriebenen Art mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Länge von 0,9 cm mit einer Tantalanode, einer Feinsilberkathode und einem Schwefelsäureelektrolyten hat eine Kapazität von 30 mfd bei 6 Volt. Die Kapazitätswerte eines Kondensators gleichen Aufbaus jedoch unter Verwirklichung der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei 3 Volt Wechselstrom gemessen, aus nachstehender Tabelle:

Silberkathode

Größe	Kapazität bei Raumtemperatur	+- FeCl₃	36,7	mfd
Größe 5	LiCl	■f FeCl₃ + FeCl₂	44,4	mfd
Größe 6	LiCl	Kapazität bei — 55^r	42,7	mfd
Größe 7	LiCl		'C
		+■ FeCl₃	21,3	mfd
Größe 5	LiCl	4- FeCl₃ + FeCl₂	32,2	mfd
Größe 6	LiCl	32,3	mfd
Größe 7	LiCl

Goldkathode

(Feinsilbergehäuse, innen- und außenseitig mit Gold plattiert vor der Vereinigung)

Größe	Kapazität bei Raumtemperatur	+ FeCl₃	+ FeCl₂	39,0	mfd
Größe 8	LiCl	+ FeCl₃	bei -55°	43,8	mfd
Größe 9	LiCl	Kapazität		42,3	mfd
Größe 10	LiCl			C
		+ FeCl₃	+ FeCl₂	20,5	mfd
Größe 8	LiCl	+ FeCl₃	34,6	mfd
Größe 9	LiCl		30,7	mfd
Größe 10	LiCl

Bei allen Kondensatoren gemäß vorstehender Tabelle beträgt die Konzentration des Lithiumchlorid-Elektrolyten ungfähr 25 Gewichtsprozent.

Die Tabelle läßt erkennen, daß die Anwesenheit von Eisenchlorid im Lithiumchlorid-Elektrolyten die Kapazität nicht nur bei Raumtemperatur erhöht, sondern auch bei niedrigeren Temperaturen.

Die Erfindung ist nicht auf das an Hand der Zeichnungen erläuterte Ausführungsbedspiel beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrolytkondensator mit einer Tantalanode, einer Silber- oder Goldkathode und einem Elektrolyten, bestehend aus einer wäßrigen Lösung eines Alkali-Metallchlorids, vorzugsweise Lithiumchlorids oder Salzsäure von einer nur eine vernachlässigbare Ätzwirkung auf die Elektroden ausübenden Konzentration, dadurch ge kennzeichnet, daß der Elektrolyt als Depolarisator Ferrichlorid in der Größenordnung von zwischen 10 und 200 g pro Liter enthält.

2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt als Depolarisator eine geringere Menge Ferrochlorid, vorzugsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 g pro Liter, enthält.

3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Depolarisatoren in dem Elektrolyten aufgelöst sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 756 216;
schweizerische Patentschrift Nr. 206 533;
britische Patentschriften Nr. 433 818, 691 509,
568;

USA.-Patentschriften Nr. 2 368 688, 2 710 369,
2759131, 2778 979.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen