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Hintergrund der Erfindung
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Wegen
ihrem volumetrischen Wirkungsgrad, ihrer Zuverlässigkeit und Prozess-Kompatibilität werden Elektrolytkondensatoren
immer häufiger
für die
Entwicklung von Schaltkreisen eingesetzt. Typischerweise haben Elektrolytkondensatoren
eine größere Kapazität pro Volumeneinheit
als bestimmte andere Arten von Kondensatoren, was Elektrolytkondensatoren
in Schaltkreisen mit relativ hohen Strömen und geringen Frequenzen
wertvoll macht. Eine Art von Kondensator, die entwickelt wurde,
ist ein Kondensator mit nassem Elektrolyten, der eine Anode, eine
Kathode und einen flüssigen
oder "nassen" Elektrolyten enthält. Kondensatoren
mit nassem Elektrolyten bieten eine gute Kombination von hoher Kapazität mit einem
geringen Leckstrom und einem kleinen dielektrischen Verlustfaktor.
In bestimmten Situationen können
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten Vorteile gegenüber Elektrolytkondensatoren,
in denen der Elektrolyt ein Festkörper ist, aufweisen. Zum Beispiel
können
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten in bestimmten Situationen
mit einer höheren
Betriebsspannung arbeiten als Kondensatoren mit festem Elektrolyten.
Zusätzlich
dazu können
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten zum Beispiel manchmal viel
größere Abmessungen
haben als Kondensatoren mit festem Elektrolyten, was zu größeren Kapazitäten für solche
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten führt.
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Bei
herkömmlichen
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten kann die Anode eine Metallfolie
sein, zum Beispiel eine Tantal-Folie. Die Anode kann auch ein Metall-"Kern" sein, zum Beispiel
ein "Kern" aus pulvrigem Tantal-Material.
Wie in der Technik bekannt, kann sich der Begriff "Kern" auf den Anoden-Teil
eines Kondensators beziehen. Ein Tantal-Kern kann ausgebildet werden,
in dem gepulverte Tantal-Teilchen mit einem geeigneten Bindemittel/Presszusatz
gemischt werden, um sicherzustellen, dass die Teilchen aneinander
haften, wenn sie gepresst werden, um die Anode zu bilden. Das gepulverte
Tantal wird unter hohem Druck um einen Tantal-Draht gepresst und
wird bei hoher Temperatur im Vakuum gesintert, um eine schwammähnliche
Struktur zu bilden, die sehr fest und dicht, aber auch sehr porös ist. Die
Porosität
des resultierenden Tantal-Kerns führt zu einem Kern, der eine
große
innere Oberfläche
hat.
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Bei
bestimmten Kondensatoren mit nassem Elektrolyten ist die Kathode
ein Behälter,
der mit dem flüssigen
Elektrolyten gefüllt
ist. Zum Beispiel kann die Kathode ein zylindrisch geformter Tantal-
oder mit Tantal beschichteter Behälter sein, der als negativer
Anschluss des Elektrolytkondensators wirkt. Bei diesen Kondensatoren
mit nassem Elektrolyten sind der flüssige Elektrolyt und die poröse, gesinterte
Elektrode in dem Kathoden-Behälter
angeordnet. Der nasse Elektrolyt verbindet die Anode und die Kathode
elektrisch und muss somit eine bestimmte Leitfähigkeit haben. Bei vielen typischen
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten ist der Elektrolyt eine wässrige Lösung aus
Schwefelsäure.
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Einige
herkömmliche
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten werden in den
US-Patenten mit den Nummern 5,369,547 und
6,594,140 an Evans, et al.
beschrieben, die beide hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke
als Referenz mit aufgenommen werden. In dem Patent 547 an Evans,
et al. wirkt ein Metallbehälter, der
eine innere Oberfläche
und eine äußere Oberfläche hat,
als Kathode des Kondensators, und eine poröse Beschichtung wird auf der
inneren Oberfläche
des Behälters
in elektrischem Kontakt zum Behälter
angeordnet. Gleichermaßen
enthält
im Patent 140 an Evans, et al. die Kathode eines Kondensators mit
nassem Elektrolyten eine Beschichtung und wird als Elektrode eines
Kondensators vom elektrochemischen Typ beschrieben. Zusätzlich dazu
werden im
US-Patent Nr. 6,721,170 an
Evans, et al. gepackte Hybrid-Kondensatoren beschrieben, und von
der Kathode eines solchen Hybrid-Kondensators wird gesagt, dass
sie eine poröse
Metalloxid-Schicht enthält,
vorzugsweise eine Metalloxid-Kathoden-Schicht aus Ruthenium.
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Beschichtungen,
wie z.B. die oben erwähnten,
in den Patenten an Evans, et al. beschriebenen, können auf
ein Metall-Substrat zur Verwendung als Kathode in einem Kondensator
mit nassem Elektrolyten unter Verwendung verschiedener Techniken
aufgebracht werden, wie z.B. die in den Patenten 547 und 140 an Evans,
et al. beschriebenen Verfahren, sowie des im
US-Patent 6,224,985 an Shah, et al.
offen gelegten Substrat-Beschichtungs-Prozesses, das hier in seiner
Gesamtheit für
alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
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Trotz
der Entwicklung verschiedener Kondensatoren mit nassem Elektrolyten
mit beschichteten Kathoden, die bestimmte verbesserte Eigenschaften
haben, besteht zurzeit ein Bedarf an verbesserten Kondensatoren
mit nassem Elektrolyten, die eine verbesserte effektive Kathoden-Kapazität aufweisen.
Speziell besteht zurzeit ein Bedarf an Kondensatoren mit nassem
Elektrolyten, die eine extrem große Kathoden-Kapazität haben,
die es ermöglicht,
dass solche Kondensatoren mit nassem Elektrolyten einen verbesserten
volumetrischen Wirkungsgrad haben. Die Kondensatoren mit nassem
Elektrolyten der vorliegenden Erfindung und die Kathoden zur Verwendung
in solchen Kondensatoren befriedigen diesen und weiteren Bedarf.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator mit nassem Elektrolyten offen
gelegt, der eine Anode, eine Kathode und einen flüssigen Elektrolyten
enthält,
der zwischen Kathode und Anode angeordnet ist. Die Kathode enthält ein Metall-Substrat
und eine Oxid-Beschichtung, die über
dem Metall-Substrat liegt. Die Oxid-Beschichtung umfasst ein Nioboxid,
das ein Atom-Verhältnis
von Niob zu Sauerstoff von 1 : weniger als 2,5 aufweist.
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Gemäß einer
anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Kondensators
mit nassem Elektrolyten offen gelegt. Das Verfahren umfasst das
Eloxieren einer Oberfläche
einer Anode, um eine dielektrische Schicht zu bilden; das Aufbringen
einer Teilchen-Suspension auf ein Metall-Substrat einer Kathode;
das Sintern der Suspension, um eine Oxid-Beschichtung auszubilden,
wobei die Oxid-Beschichtung ein Nioboxid umfasst, das ein Atom-Verhältnis von
Niob zu Sauerstoff von 1 : weniger als 2,5 aufweist; und das Anordnen
eines flüssigen
Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode.
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Gemäß noch einer
anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator mit nassem Elektrolyten
offen gelegt, der eine Anode, eine Kathode und einen flüssigen Elektrolyten
enthält,
der zwischen Kathode und Anode angeordnet ist. Die Kathode enthält ein Metall-Substrat,
eine Metalloxid-Beschichtung, eine Schutz-Beschichtung und eine
Beschichtung mit einem leitfähigen
Polymer.
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Weitere
Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden
detaillierter beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Eine
vollständige
und befähigende
Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren
bester Art und Weise, die an einen Fachmann gerichtet ist, wird
genauer im Rest der Beschreibung angegeben, in der auf die beigefügten Figuren
Bezug genommen wird, in denen:
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1A eine
Querschnitts-Ansicht einer Ausführung
eines Kondensators gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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1B eine
perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung eines Kondensators gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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1C eine
Seitenansicht des Kondensators aus 1B ist;
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2 eine
grafische Darstellung der Kathoden-Kapazität (in μF) über der Menge des leitfähigen Polymers
(in Gramm) für
Kathoden gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
grafische Darstellung der mittleren Kapazität (in μF) mehrerer Kondensatoren gemäß einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung über
der Formierungs-Spannung für
diese Kondensatoren ist;
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4 eine
grafische Darstellung des Kehrwertes der Kapazität (in μF), gemessen für mehrere
Kondensatoren gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung, über
dem Kehrwert der Kapazität
(in μF)
von stufenweise größeren Anoden,
die in solchen Kondensatoren verwendet werden, ist;
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5 eine
vergrößerte Darstellung
des Ursprungs der in 4 gezeigten grafischen Darstellung
ist; und
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6 eine
grafische Darstellung der Kathoden-Kapazität (in μF) über der Menge des leitfähigen Polymers
(in Gramm) für
Kathoden gemäß dem Stand
der Technik ist.
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Eine
wiederholte Verwendung von Referenz-Zeichen in der vorliegenden
Beschreibung und den Zeichnungen ist beabsichtigt, um gleiche und
analoge Eigenschaften oder Elemente der Erfindung darzustellen.
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Detaillierte Beschreibung
repräsentativer
Ausführungen
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Ein
Fachmann muss verstehen, dass die vorliegende Beschreibung nur eine
Beschreibung beispielhafter Ausführungen
ist und nicht dazu gedacht ist, die breiteren Aspekte der vorliegenden
Erfindung zu begrenzen, wobei breitere Aspekte in der beispielhaften
Konstruktion verkörpert
sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf verbesserte Kondensatoren
mit nassem Elektrolyten gerichtet, die eine Anode, eine Kathode
und einen flüssigen
Elektrolyten enthalten, der dazwischen angeordnet ist. Spezieller
enthält
die Kathode eine Metalloxid-Beschichtung, wie z.B. Nioboxid, in
Verbindung mit anderen optionalen Beschichtungen, um dem Kondensator
verbesserte Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel können als
Ergebnis der vorliegenden Erfindung Kondensatoren mit nassem Elektrolyten
ausgebildet werden, die im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren mit
nassem Elektrolyten hohe Werte der Kathoden-Kapazität zeigen.
Solche hohen Werte der Kathoden-Kapazität können zu Kondensatoren mit nassem
Elektrolyten führen,
die einen verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad haben. Zusätzlich dazu
wird angenommen, dass Kondensatoren mit nassem Elektrolyten, welche
die hier beschriebenen Kathoden enthalten, über einen weiteren Bereich
an pH-Werten (d.h. in neutraleren pH-Umgebungen) funktionsfähig sind,
als bestimmte herkömmliche
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten. Ein Funktionieren über einen
weiteren Bereich an pH-Werten bedeutet, dass Kondensatoren mit nassem
Elektrolyten, welche die hier beschriebenen Kathoden enthalten,
eine größere Vielfalt
an Anoden und anderen Komponenten, wie z.B. Gehäuse-Komponenten, enthalten
können.
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Mit
Bezug auf
1A ist zum Beispiel eine Ausführung eines
Kondensators mit nassem Elektrolyten
10 gezeigt, der gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist. Der Kondensator
10 enthält eine
Anode
20. Obwohl nicht erforderlich, ist die Anode in dieser
Ausführung
als poröser "Kern" aus Material dargestellt,
der in einem Kathoden-Behälter
12 angeordnet
ist. Die Anode
20 kann allgemein ein Metall, ein Metalloxid,
ein Metallnitrid oder eine Kombination davon sein. Zum Beispiel
kann die Anode
20 Tantal, Aluminium, Titan, Niob, Zirkonium,
Hafnium, Legierungen dieser Metalle oder Kombinationen daraus, sowie
Oxide und/oder Nitride solcher Metalle enthalten. Zum Beispiel kann
die Anode
20 aus einem Metalloxid oder Nitrid (z.B. Niob-Monoxid,
Tantaloxid, Tantalnitrid, Niobnitrid, usw.) ausgebildet sein, das
allgemein als halbleitendes oder hoch leitendes Material betrachtet
wird. Beispiele für
solche Metalloxide sind in
US-Patent
Nr. 6,322,912 an Fife beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit
für alle
Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird. Beispiele für solche
Metallnitride werden desgleichen in
"Tantalum Nitride: A New Substrate for
Solid Electrolytic Capacitors" von
T. Tripp;
Proceedings of CARTS 2000: 20th Capacitor
and Resistor Technology Symposium, 6.–20. März 2000, beschrieben.
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Eine
Vielzahl herkömmlicher
Herstellungsverfahren kann im Allgemeinen dazu benutzt werden, die Anode 20 aus
dem gewählten
Metall herzustellen. In einer Ausführung wird zuerst ein Tantal-Pulver
gewählt, das
eine bestimmte Teilchengröße hat.
Die gewählte
Teilchengröße kann
abhängig
von der Spannung des gewünschten
resultierenden Kondensators unterschiedlich sein. Zum Beispiel werden
Pulver mit einer relativ großen
Teilchengröße (z.B.
ungefähr
10 Mikrometer) oft dazu verwendet, Kondensatoren für hohe Spannungen herzustellen,
während
Pulver mit einer relativ kleinen Teilchengröße (z.B. ungefähr 0,5 Mikrometer)
oft dazu verwendet werden, Kondensatoren für kleine Spannungen herzustellen.
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Wenn
das gewünschte
leitfähige
Metallpulver gewählt
wurde, wird es typischerweise mit einem Bindemittel/Presszusatz
gemischt, um sicherzustellen, dass die Teilchen richtig aneinander
haften, wenn sie gepresst werden, um die Anode auszubilden. Zum
Beispiel kann in manchen Ausführungen
Tantal-Pulver mit
einer kleinen Menge (z.B. 5 Gewichts-Prozent) eines Bindemittels/Presszusatzes
aus Stearinsäure
gemischt werden. In manchen Ausführungen
wird das Metallpulver, nachdem es mit dem Bindemittel/Presszusatz
gemischt wurde, um einen Metalldraht oder eine Stange gepresst,
um einen "Kern" zu bilden, der im
Allgemeinen das resultierende Anoden-Element ist. Zum Beispiel kann
Tantal-Pulver um einen Tantal-Draht gepresst werden, um einen Tantal-Kern
auszubilden. Das Bindemittel/der Presszusatz wird dann entfernt,
indem der Kern im Vakuum für
einige Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 150°C erhitzt wird. Alternativ kann
das Bindemittel/der Presszusatz auch entfernt werden, indem der
Kern mit einer wässrigen
Lösung
in Kontakt gebracht wird, wie im
US-Patent
Nr. 6,197,252 an Bishop, et al. beschrieben, das hier in
seiner Gesamtheit für alle
Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
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Danach
wird der resultierende Kern gesintert, um eine poröse, zusammenhängende Masse
zu bilden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung ein aus Tantal ausgebildeter
Kern bei einer Temperatur zwischen ungefähr 1.500°C und ungefähr 2.000°C im Vakuum gesintert werden.
Zusätzlich
zum oben beschriebenen Verfahren kann jedes andere Verfahren zum
Ausbilden der Anode
20 gemäß der vorliegenden Erfindung
auch genutzt werden. Zum Beispiel werden andere Verfahren zum Ausbilden
der Anode
20 auch in den
US-Patenten Nr. 4,085,435 an
Galvagni;
4,945,452 an
Sturmer, et al.;
5,198,968 an
Galvagni;
5,357,399 an
Salisbury;
5,394,295 an
Galvagni, et al.;
5,495,386 an
Kulkarni; und
6,322,912 an
Fife beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz
mit aufgenommen werden.
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Nach
dem Ausbilden der Anode 20 wird eine dielektrische Schicht 21 ausgebildet.
In einer Ausführung wird
die Anode 20 eloxiert, so dass eine dielektrische Schicht 21 auf
und innerhalb der porösen
Anode 20 ausgebildet wird. Eloxieren ist ein elektrochemischer
Prozess, durch den das Anodenmaterial oxidiert wird, um ein Material
zu bilden, das eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante hat. Zum Beispiel
kann eine Tantal-Anode eloxiert werden, um Tantalpentoxid (Ta2O5) auszubilden,
das eine Dielektrizitätskonstante "k" von ungefähr 27 hat. Speziell kann der
Tantal-Kern in eine schwache Säurelösung (z.B.
Phosphorsäure)
mit erhöhter
Temperatur (z.B. ungefähr
85°C) getaucht
werden, an die eine geregelte Spannung und ein geregelter Strom
angelegt werden, um eine Tantalpentoxid-Beschichtung zu bilden,
die eine bestimmte Dicke hat. Die Stromversorgung wird anfangs auf
einem konstanten Strom gehalten, bis die erforderliche Formierungs-Spannung
erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einer konstanten
Spannung gehalten, um sicherzustellen, dass sich das Dielektrikum
mit der gewünschten
Dicke auf der Oberfläche
des Tantal-Kerns bildet. Zusätzlich
zum Ausbilden auf der Oberfläche
des Tantal-Kerns wird ein Teil der dielektrischen Schicht 21 auf
der Oberfläche
der Poren des Metalls der Anode 20 ausgebildet, wie in 1A gezeigt.
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Die
folgenden chemischen Formeln beschreiben allgemein einen Eloxierungsprozess
für Tantal:
Anode: | 2Ta → 2Ta5 + 10e |
| 2Ta5 + 10 OH– → Ta2O5 + 5H2O |
Kathode: | 10H2O
+ 10e → 5H2 + 10 OH– |
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Es
muss jedoch klar sein, dass die oben beschriebene dielektrische
Schicht
21 nur ein Beispiel für eine dielektrische Schicht
ist, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Insbesondere
kann die dielektrische Schicht aus anderen Arten von Materialien
und unter Verwendung anderer Verfahren ausgebildet werden. Zum Beispiel
kann, wenn gewünscht,
eine dielektrische Polymer-Schicht, wie z.B. Polyimid-Schichten,
benutzt werden. Beispiele für
solche Schichten sind in
US-Patent
Nr. 5,812,367 an Kudoh et al. beschrie ben. Die dielektrische
Schicht kann auch thermisch durch Einwirkung von Sauerstoff (O
2) oder Wasser bei erhöhter Temperatur hergestellt
werden.
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Wie
in 1A gezeigt, kann die Anode 20 einen Teil 22 enthalten,
der nicht eloxiert und nicht mit einer dielektrischen Schicht 21 bedeckt
ist. Zusätzlich
dazu kann ein Teil der Anode 20 durch eine Glas-zu-Metall-Dichtung 23 umgeben
sein, mit der die Anode 20 und der Kathoden-Behälter 12 verbunden
und abgedichtet werden. Der Kondensator 10 kann auch einen
Abstandshalter (nicht gezeigt) enthalten, der die Anode 20 fest
im Kathoden-Behälter
hält. Der
Abstandshalter kann zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt sein
und die Form einer Scheibe haben.
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1A zeigt
auch einen flüssigen
Elektrolyten
24, der zwischen und in Kontakt mit der Anode
20 und der
Kathode (im Folgenden detaillierter beschrieben) angeordnet ist.
Im Allgemeinen ist der flüssige
Elektrolyt
24 die elektrisch aktive Flüssigkeit, die den Verbindungspfad
zwischen der Anode und der Kathode bereitstellt. In bestimmten Ausführungen
wird eine wässrige
Lösung
von Schwefelsäure
H
2SO
4 als Elektrolyt
24 benutzt, insbesondere
wenn die Anode aus Tantal besteht. Der flüssige Elektrolyt
24 kann
jedoch jeder andere herkömmliche
Elektrolyt sein (wie zum Beispiel ein Ammonium-Salz, das in Glykol
oder in einem gykol-ähnlichem Lösungsmittel
gelöst
ist, wenn die Anode aus Aluminium besteht). Der flüssige Elektrolyt
24 kann
auch ein neutraler Elektrolyt sein. Verschiedene andere flüssige Elektrolyte
werden in den
US-Patenten Nr.
5,369,547 und
6,594,140 an
Evans et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke
als Referenz mit aufgenommen werden.
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Der
Kondensator 10 enthält
ferner den Kathoden-Behälter
oder das Kathoden-Substrat 12. In der Ausführung von 1A ist
der Kathoden-Behälter
oder das Kathoden-Substrat 12 ein zylindrisch geformter "Becher" mit daran befestigtem
Deckel. Der Kathoden-Behälter 12 besteht
aus Metall. Im Allgemeinen kann jede Vielzahl von Metallen benutzt
werden, um den Kathoden- Behälter 12 des
Kondensators 10 auszubilden. Zum Beispiel kann der Kathoden-Behälter 12 aus
einem Ventilmetall bestehen, wie z.B. Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium,
Titan, aus Legierungen dieser Metalle, und so weiter. Zusätzlich dazu
kann der Kathoden-Behälter 12 aus
einem Nicht-Ventilmetall bestehen, wie z.B. Kupfer oder Silber,
oder aus Kombinationen von Nicht-Ventilmetallen.
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Der
Kondensator 10 enthält
auch eine Oxid-Beschichtung 14, die den Kathoden-Behälter 12 überzieht. Obwohl
nicht erforderlich, kann die Oxid-Beschichtung 14 einen
relativ kleinen spezifischen Widerstand besitzen (d.h. sie ist relativ
leitfähig),
um dem Kondensator 10 die gewünschten elektrischen Eigenschaften
zu verleihen. Zum Beispiel kann die Oxid-Beschichtung 14 einen
spezifischen Widerstand von weniger als ungefähr 1 × 105 Ohm-cm
haben, und in einigen Ausführungen
von ungefähr
1 × 103 und ungefähr 1 × 104 Ohm-cm.
In der Beschichtung 14 können im Allgemeinen verschiedene
Oxide eingesetzt werden. Zum Beispiel können geeignete Oxide ein Metall
umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Niob, Tantal,
Aluminium, Titan, Ruthenium und so weiter, sowie Kombinationen dieser
Metalle besteht. Natürlich
darf das Oxid neben Metall und Sauerstoff auch andere Atome oder
Elemente enthalten.
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In
bestimmten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung enthält
die Oxid-Beschichtung 14 ein
Nioboxid, das ein Atom-Verhältnis
von Niob zu Sauerstoff von 1 : weniger als 2,5, spezieller von 1
: weniger als 1,5, spezieller von 1 : weniger als 1,1 und noch spezieller
von 1 : 0,5 ± 0,2
hat. Zum Beispiel kann das Nioboxid Nb0,7,
NbO1 , 0,
NbO1 , 1 und
NbO2 sein. In einer bevorzugten Ausführung enthält die Oxidbeschichtung 14 NbO2. NbO2 ist ein relativ
leitfähiges
Nioboxid, das unter Normalbedingungen nicht eloxiert. NbO2 ist auch in H2SO4 stabil und löst sich nicht leicht in H2SO4 und anderen
flüssigen
Elektrolyten. Weiterhin ist NbO2 nach dem
Sintern bei hohen Temperaturen chemisch stabil. Das heißt eine
mit NbO2 beschichtete Kathode kann bei Temperaturen
gesintert werden, die hoch genug sind, so dass das NbO2 gut
am Ka thoden-Substrat (z.B. ein Tantal-Becher oder eine Tantal-Folie)
haftet, während
es seine chemische Struktur als NbO2 beibehält. Zum
Beispiel zeigt eine Röntgenbeugungsanalyse,
dass nach dem Sintern bei hohen Temperaturen NbO2 seine
chemische Struktur als NbO2 beibehält, obwohl
es sicher mit einem Tantal-Substrat verbunden ist, um eine Kathode
zu bilden. NbO2 hat typischerweise auch
eine große
Oberfläche,
so dass der flüssige
Elektrolyt in der Lage ist, die Kathode an mehr Stellen zu kontaktieren
als wenn eine homogene Beschichtung verwendet würde, die Teilchen enthält, die
eine sehr geringe Oberfläche
haben. Zusätzlich
dazu wird angenommen, dass mit NbO2 beschichtete
Kathoden effektiv über
einen weiteren Bereich an pH-Werten
arbeiten als herkömmliche,
in Kondensatoren mit nassem Elektrolyten verwendete Kathoden. Nur
als Beispiel wird angenommen, dass bestimmte herkömmliche
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten, wie z.B. die unter Verwendung
von RuO2 enthaltenden Kathoden ausgebildeten,
einen sehr speziellen pH-Bereich für eine richtige Funktion benötigen. Kathoden, die
eine Beschichtung enthalten, die gemäß bestimmter Ausführungen
der vorliegenden Erfindung aus NbO2 besteht,
können
jedoch über
einen weiteren pH-Bereich funktionsfähig sein, was die Verwendung
eines größeren Bereichs
an Anoden in Kondensatoren erlaubt, die mit diesen Kathoden ausgebildet
sind.
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Eine
Pulverform von NbO2, die sich zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung eignet, ist kommerziell von Reading
Allogs, Inc. in Robesonia, Pennsylvania erhältlich. Dieses Pulver hat eine
BET-Oberfläche von
ungefähr
3 m2/g bis ungefähr 7 m2/g
und eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 0,2 μm bis ungefähr 5 μm. Eine weitere
geeignete Form von pulvrigem NbO2 ist kommerziell
von Alfa Aesar, einem Johnson Matthey Unternehmen unter der Nr.
89692 erhältlich.
Noch eine weitere geeignete Form von pulvrigem NbO2 ist
kommerziell von Sigma-Aldrich Chemicals, Produkt Nr. 383163 erhältlich.
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Unabhängig von
den Materialien, aus denen sie hergestellt wird, wird im Allgemeinen
eine Suspension aus Oxidpartikeln verwendet, um die Oxidbe schichtung 14 auf
das Kathoden-Substrat 12 aufzubringen. Zum Beispiel kann
die Suspension ein Nioboxid enthalten, das ein Atom-Verhältnis von
Niob zu Sauerstoff von 1 : weniger als 2,5 hat. Alternativ kann
die Suspension auch ein Oxid enthalten, das beim Sintern auf den
gewünschten
Wert reduziert wird (wird weiter unten genauer beschrieben). Zum
Beispiel kann in der Suspension Nb2O5 für
eine spätere
Reduktion auf NbO2 beim Sintern verwendet
werden. Obwohl nicht erforderlich, haben die Teilchen in der Suspension
typischerweise eine große
Oberfläche
und eine kleine Teilchengröße, um verbesserte
Eigenschaften für
den resultierenden Kondensator bereitzustellen. Zum Beispiel können die
Teilchen eine BET-Oberfläche
von ungefähr
0,5 m2/g bis ungefähr 40 m2/g
und eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 5 μm, und in
einigen Ausführungen
von ungefähr
0,5 μm bis
ungefähr
2 μm haben.
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Die
Dicke der Oxid-Beschichtung 14 kann einen Einfluss auf
die Kapazität
der resultierenden Kathode haben. Somit kann in manchen Ausführungen
die Kapazität
optimiert (z.B. maximiert) werden, indem die Dicke der Beschichtung 14 für eine gegebene
Größe des Metall-Substrates 12,
eine gegebene Größe der Anode 20 und
einer gegebenen Konfiguration des Kondensators, in dem die Kathode
einzusetzen ist, selektiv gesteuert wird. Die Dicke der Beschichtung 14 kann
auch erhöht
werden, um den Spannungsabfall über
der Kathode zu verringern. In der Ausführung in 1A zum
Beispiel kann die Oxid-Beschichtung 14 eine Dicke von weniger als
ungefähr
100 μm haben.
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Wenn
zum Beispiel kleine Nioboxid-Teilchen, die eine Teilchengröße von ungefähr 0,1 μm haben,
verwendet werden, um die Beschichtung 14 zu bilden, hat
eine Monoschicht aus Nioboxid-Teilchen eine Dicke von ungefähr 0,1 μm, und eine
Monoschicht aus Nioboxid-Teilchen kann zu einem Zeitpunkt auf dem
Kathoden-Substrat 12 ausgebildet werden. Dann wird durch
Ausbilden von weniger als ungefähr
500 Monoschichten, die diese kleinen Nioboxid-Teilchen enthalten,
eine Beschichtung 14 bereitgestellt, die aus Ni oboxid besteht,
das eine Dicke von weniger als ungefähr 50 μm hat, wobei die Konfiguration
des Kondensators und die Größe der Komponenten
(z.B. die Größe der Anode
und des Kathoden-Substrates) den Bedarf an einer Beschichtung 14 diktieren,
die eine Dicke von weniger als ungefähr 50 μm hat. Neben der Dicke kann
auch das Gesamtgewicht des in der Beschichtung 14 vorhandenen
Oxids selektiv gesteuert werden, da jedes Oxid-Teilchen eine bestimmte
Kapazität/Gramm
besitzt.
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Das
Ausmaß,
in dem die Oxid-Beschichtung 14 das Kathoden-Substrat 12 bedeckt,
kann ebenfalls abhängig
von der beabsichtigten Größe und Konfiguration
des Kondensators 10 variiert werden. Zum Beispiel bedeckt
in der gezeigten Ausführung
die Oxid-Beschichtung 14 nicht die gesamte innere Oberfläche des
Kathoden-Becher-Substrates 12. Zum Beispiel kann in bestimmten
Ausführungen
die Beschichtung 14 zwischen ungefähr 25% und ungefähr 75% der
inneren Oberfläche
des Kathoden-Becher-Substrates 12 bedecken und kann in
manchen Ausführungen
ungefähr
50% der inneren Oberfläche
des Kathoden-Becher-Substrates 12 bedecken. In Ausführungen,
in denen die Beschichtung 14 nicht die gesamte innere Oberfläche des
Kathoden-Becher-Substrates 12 bedeckt, bleibt Platz für einen
Deckel, einen Verschluss oder (eine) andere Komponente(n), die sich
an einem Teil der inneren Oberfläche
des Kathoden-Becher-Substrates 12 befinden kann/können.
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Die
Oxid-Beschichtung
14 kann auf der inneren Oberfläche des
Kathoden-Substrates
12 durch
eine beliebige Anzahl von Verfahren ausgebildet werden. Zum Beispiel
werden in den
US-Patenten Nr.
5,369,547 und
6,594,140 an
Evans, et al., sowie in
US-Patent
Nr. 6,224,985 an Shah, et al. Verfahren zum Ausbilden einer Metalloxid-Beschichtung
auf einer Oberfläche
einer Kathode, die in einem Kondensator mit nassem Elektrolyten
zu verwenden ist, beschrieben. Verfahren, wie eine Wärmebehandlung,
thermisches Sintern, Sputtern, Siebdrucken, Tauchen, Elektrotauchbeschichtung,
Elektronenstrahl-Abscheidung, Sprühen, Rollenpressen, Bürsten, Doctor-Blade-Casting und
Abscheidung aus dem Vakuum, können
benutzt werden, um die Beschichtung
14 auszubilden.
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Gemäß einem
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Oxid-Beschichtung 14 ausgebildet,
indem der Kathoden-Becher 12 zuerst in eine Suspension
getaucht wird, die Oxidteilchen und ein oder mehrere Lösungsmittel
enthält.
Einige geeignete Lösungsmittel
sind nicht-wässrige
Lösungsmittel,
wie Methanol, Ethanol, Butanol, Isopropanol, sowie verschiedene
Glykole, wie Propylenglykol, Hexylenglykol, Di(ethylenazetat)-Glykol
und so weiter. Der Gehalt an Feststoffen in der Suspension kann
im Allgemeinen variieren, wie zum Erreichen der gewünschten
Beschichtungs-Dicke erforderlich. Zum Beispiel kann der Feststoffgehalt
des Oxids im Bereich von ungefähr
20 bis ungefähr
80 Gewichtsprozent, spezieller zwischen ungefähr 30 und ungefähr 70 Gewichtsprozent
und noch spezieller zwischen ungefähr 35 und ungefähr 65 Gewichtsprozent
liegen. Nach dem Aufbringen der Oxid-Suspension kann sie getrocknet
werden, um das/die Lösungsmittel
zu entfernen. Das Trocknen kann manchmal in einem Ofen bei Temperaturen
von ungefähr
50°C bis
ungefähr 150°C durchgeführt werden.
Nach dem Trocknen wird die Oxid-Beschichtung 14 dann gesintert,
damit sie fest am Kathoden-Substrat 12 haftet. Das Sintern
kann bei einer Temperatur von ungefähr 500°C bis ungefähr 3.000°C durchgeführt werden, in manchen Ausführungen
von ungefähr
600°C bis
ungefähr
2.000°C
und in manchen Ausführungen
von ungefähr
800°C bis
ungefähr
1.400°C.
Neben der Unterstützung
des Anhaftens der Oxid-Beschichtung 14 am Kathoden-Substrat 12 kann
Sintern auch noch weitere Vorteile bieten. Zum Beispiel kann Sintern
eine chemische Veränderung
der Beschichtung selbst verursachen, wie z.B. durch Reduktion von
Nb2O5 zu NbO2. Auf diese Weise kann die gewünschte Oxid-Beschichtung
an Ort und Stelle ausgebildet werden.
-
Wenn
gewünscht,
können
die Schritte des Tauchens des Kathoden-Substrates in die Oxid-Suspension,
des Trocknens des Kathoden-Substrates und des Sinterns des beschichteten
Substrates wiederholt werden, bis die ge wünschte Dicke der Oxid-Beschichtung 14 ausgebildet
ist. In manchen Ausführungen
wird nur eine relativ dünne
Schicht der Beschichtung zu einem Zeitpunkt ausgebildet. Ohne dass
eine Einschränkung durch
die Theorie beabsichtigt ist, wird angenommen, dass die Oxid-Partikel
besser am Kathoden-Substrat haften, wenn die Beschichtung durch
eine Reihe dünner
Schichten aufgebracht wird. Somit kann eine dünne Schicht der Beschichtung
hinzugefügt
und gesintert werden, dann kann eine weitere dünne Schicht der Beschichtung
hinzugefügt
und gesintert werden, wobei jede dünne Schicht eine Dicke von
weniger als ungefähr 150 μm, in einigen
Ausführungen
von weniger als ungefähr
100 μm und
in einigen Ausführungen
von weniger als ungefähr
75 μm hat.
-
Mit
Bezug auf 1A kann der Kondensator 10 auch
eine optionale Beschichtung mit leitfähigem Polymer 16 enthalten,
welche die Oxid-Beschichtung 14 überzieht. Zum Beispiel sind
geeignete Polymere, die in der Beschichtung 16 verwendet
werden können,
Polypyrrole, Polythiophene, wie z.B. Poly(3,4-Ethylendioxid-Thiophen)
(PEDT), Polyaniline, Polyacetylene, Poly-p-Phenylene und deren Derivate,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Beschichtung 16 kann auch aus mehreren Schichten aus
leitfähigem
Polymer ausgebildet werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung die
Beschichtung 16 eine aus PEDT ausgebildete Schicht und eine
andere aus einem Polypyrrol ausgebildete Schicht umfassen.
-
Obwohl
nicht erforderlich, kann die Beschichtung aus leitfähigem Polymer 16 in
bestimmten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung dazu benutzt werden, die effektive Kapazität des Kondensators 10 zu
erhöhen.
Die Erhöhung
der effektiven Kapazität
kann mehreren Aspekten leitfähiger
Polymere zugeordnet werden. Insbesondere wenn ein leitfähiges Polymer
polymerisiert, nimmt es typischerweise eine amorphe, nicht kristalline
Form an, die ein wenig wie ein Netz erscheint, wenn man es unter
einem Rasterelektronenmikroskop ansieht. Dies bedeutet, dass die
resultierende Beschichtung aus leitfähigem Polymer eine große Oberfläche hat
und daher die effektive Oberflä che
des beschichteten Substrates, auf das es aufgebracht ist, etwas
erhöht. Ohne
dass eine Einschränkung
durch die Theorie beabsichtigt ist, glauben die Erfinder, dass die
große
Oberfläche
der Beschichtung mit leitfähigem
Polymer dazu beiträgt,
die Gesamt-Kapazität
von Kondensatoren zu erhöhen,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet werden, weil der flüssige Elektrolyt (z.B. eine H2SO4-Lösung) die
Kathode tatsächlich
an mehr Stellen kontaktiert, als wenn kein leitfähiges Polymer auf der Kathode
vorhanden wäre.
-
Es
können
verschiedene Verfahren verwendet werden, um die Beschichtung aus
leitfähigem
Polymer 16 auf das Kathoden-Substrat 12 aufzubringen.
Zum Beispiel können
Verfahren, wie Sputtern, Siebdrucken, Tauchen, Elektrotauchbeschichtung,
Elektronenstrahl-Abscheidung, Sprühen und Abscheidung aus dem
Vakuum benutzt werden, um die Beschichtung 16 auszubilden.
In einer Ausführung
können
zum Beispiel das/die Monomer(e), die zum Ausbilden des leitfähigen Polymers
(z.B. PEDT) verwendet werden, anfangs mit einem Polymerisations-Katalysator
gemischt werden, um eine Dispersion zu bilden. Zum Beispiel ist
ein geeigneter Polymerisations-Katalysator BAYTRON C (Bayer Corp.),
wobei es sich um Eisen-III-Toluol-Sulfonat und n-Butanol handelt.
BAYTRON C ist ein kommerziell erhältlicher Katalysator für BAYTRON
M, bei dem es sich um 3,4-Ethylen-Dioxythiophen, ein PEDT-Monomer, handelt,
das auch von der Firma Bayer verkauft wird.
-
Sobald
eine Dispersion ausgebildet wurde, kann das Oxid-beschichtete Kathoden-Substrat
dann in die Dispersion getaucht werden, so dass sich leitfähiges Polymer
auf der Oberfläche
der Kathode ausbildet. Alternativ dazu können der Katalysator und das/die
Monomer(e) auch getrennt auf die Kathode aufgebracht werden. In
einer Ausführung
kann der Katalysator zum Beispiel in einem Lösungsmittel (z.B. Butanol)
gelöst
werden und dann als Tauch-Lösung
auf die Kathode aufgebracht werden. Die Kathode kann dann getrocknet
werden, um das Lösungsmittel
zu entfernen. Danach kann die Kathode in eine Lösung getaucht werden, die das geeignete
Monomer enthält.
-
Sobald
das Monomer die Oberfläche
der Kathode kontaktiert, die den Katalysator enthält, polymerisiert
es darauf. Auf ähnliche
Weise wird in anderen Ausführungen
die Kathode zuerst in eine Lösung
getaucht, die das Monomer enthält,
wird getrocknet, um das Lösungsmittel
zu entfernen, und wird dann in die Lösung getaucht, die den Katalysator
enthält,
wodurch das leitfähige
Polymer auf der Kathode chemisch polymerisiert.
-
Die
Kombination des Aufbringens der Oxid-Beschichtung 14 und
der Beschichtung mit leitfähigem
Polymer 16 auf dem Kathoden-Substrat 12 führt unerwartet
zu Kathoden, die im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden, die dieselbe
Größe haben
und in Kondensatoren mit nassem Elektrolyten derselben Konfiguration
eingesetzt werden, beträchtlich
erhöhte
Kathoden-Kapazitätswerte
haben. Durch die viel größere Kathoden-Kapazität verringert
sich die Kathoden-Begrenzung in einem Kondensator mit nassem Elektrolyten
und erlaubt die Verwendung größerer Anoden,
was im Vergleich zu einem herkömmlichen
Kondensator mit nassem Elektrolyten derselben Größe und Konfiguration zu einem
größeren volumetrischen
Wirkungsgrad für
einen Kondensator führt.
Der volumetrische Wirkungsgrad ist allgemein das Produkt der Kapazität und der
Spannung, dividiert durch das Volumen des Kondensators, oder μF·V/cm3 (oder Coulomb/cm3)
-
Es
muss darauf hingewiesen werden, dass Kathoden-Kapazitätswerte
für Kathoden,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet werden, stark variieren können, da die Kathoden-Substrate
sehr groß oder sehr
klein sein können,
weil die "Ladung" der Oxid-Beschichtung
und der Beschichtung mit leitfähigem
Polymer 14, bzw. 16 stark variieren kann. Ebenso
können
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten, bei denen solche Kathoden
verwendet werden, stark variierende Konfigurationen haben (z.B.
variierende Abstände
zwischen Anode und Kathode, variierende Anoden-Größen, usw.).
Es wird jedoch angenommen, dass in Kathoden, die gemäß bestimmten
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden (die zum Beispiel
eine Beschichtung 14, die aus NbO2 besteht,
und eine Beschichtung 16, die aus PEDT besteht, enthalten),
das NbO2 und das PEDT synergistisch wirken,
um für
Kathoden eine im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden derselben Größe und Form
ohne diese Kombination aus NbO2 und PEDT
enthaltenden Beschichtungen beträchtlich
erhöhte
Kathoden-Kapazität
bereitzustellen. Eine solche synergistische Interaktion zwischen
NbO2 und leitfähigen Polymeren, wie z.B. PEDT,
kann bedeuten, dass jedes zusätzliche
Gramm PEDT, das zum Ausbilden der Beschichtung 16 verwendet
wird, tatsächlich
eine unerwartet große
Menge an Kapazität
pro Gramm (μF/g)
zur gesamten Kathode hinzufügt.
-
Obwohl
oben verschiedene Verfahren beschrieben wurden, muss verstanden
werden, dass in der vorliegenden Erfindung jedes andere Verfahren
zum Aufbringen der Beschichtung, die aus der Beschichtung mit leitfähigem Polymer
16 besteht,
auf die Kathode ebenfalls verwendet werden kann. Zum Beispiel werden
andere Verfahren zum Aufbringen einer solchen Beschichtung, die
aus einem oder mehreren leitfähigen
Polymeren besteht, in den
US-Patenten
5,457,862 an Sakata, et al.,
5,473,503 an
Sakata, et al.,
5,729,428 an
Sakata, et al., und
5,812,367 an
Kudoh et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke
als Referenz mit aufgenommen werden. Zusätzlich können verschiedene Mengen leitfähiges Polymer
in der Beschichtung
16 vorhanden sein. In bestimmten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung führt
die Erhöhung
der Dicke der Beschichtung
16 oder des Gesamtgewichts des
in der Beschichtung
16 vorhandenen leitfähigen Polymers
zu einer Erhöhung
der Kapazität
der resultierenden Kathode.
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In
noch anderen speziellen Ausführungen
eines Kondensators mit nassem Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung
kann auch eine Schutzschicht (nicht gezeigt) zwischen der Oxid-Beschichtung 14 und der
Beschichtung aus leitfähigem
Polymer 16 ausgebildet werden. Es wird angenommen, dass
die Schutzschicht die mechanische Stabilität der Schnittstelle zwischen
der Beschichtung aus leitfähigem
Polymer 16 und der Oxid-Beschichtung 14 verbessern
kann. Bestimmte Polymer-Materialien, die als Schutzschicht nütz lich sind,
können
zum Beispiel natürliche
oder künstliche
Harze sein, die im Allgemeinen gehärtet werden können, indem
sie einem Härtungs-Mittel
ausgesetzt werden, wie z.B. Sauerstoff, Hitze und so weiter. Einige
Kunstharz-Materialien,
die für
die Schutzschicht benutzt werden können, sind Polyurethan, Polystyrol,
Kombinationen daraus und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Zusätzlich dazu
können
Ester von ungesättigten oder
gesättigten
Fettsäuren
(z.B. Glyceride) für
die Schutzschicht verwendet werden. Einige geeignete Ester von Fettsäuren sind
Ester der Laurinsäure,
Myristinsäure,
Palmitinsäure,
Stearinsäure,
Elaeostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Shellolsäure, und
so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Es hat sich herausgestellt,
dass diese Ester von Fettsäuren
besonders nützlich
sind, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen verwendet werden,
um ein "Trocknungs-Öl" zu bilden, das es
erlaubt, den resultierenden Film schnell in eine stabile Schicht
zu polymerisieren. Solche Trocknungs-Öle können Mono-, Di- und/oder Tri-Glyceride
enthalten, die ein Glycerol-Gerüst
mit einem, zwei, bzw. drei Fettsäure-Resten
haben, die verestert sind.
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Einige
geeignete Trocknungs-Öle,
die für
die Schutzschicht benutzt werden können, sind Olivenöl (von dem
angenommen wird, dass es Ester von 84% Ölsäure, 7% Palmitinsäure, 5%
Linolsäure
und 2% Stearinsäure
enthält),
Leinöl
(von dem angenommen wird, dass es Ester von 47% Linolensäure, 24%
Linolsäure,
19% Ölsäure, 6%
Palmitinsäure
und 2% Stearinsäure
enthält),
Tungöl
(von dem angenommen wird, dass es Ester von 96% Elaeostearinsäure und
4% Ölsäure enthält), Rizinusöl (von dem
angenommen wird, dass es Ester von 87% Ricinolsäure, 7% Ölsäure, 3% Linolsäure, 2%
Palmitinsäure
und 1% Stearinsäure
enthält),
Sojaöl (von
dem angenommen wird, dass es 26% Ölsäure, 49% Linolsäure, 11%
Linolensäure
und 14% gesättigte Fettsäuren enthält) und
Schellack (von dem angenommen wird, dass er Ester verschiedener
aliphatischer und alizyklischer Hydroxysäuren, wie z.B. Aleuritinsäure und
Shellolsäure
enthält),
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Wenn
sie in der Schutzschicht verwendet werden, können die Ester der Fettsäuren, wie
oben beschrieben, natürlich
vorkommen oder aus natürlichen
Materialien raffiniert sein. Zum Beispiel wird Sojaöl oft aus
Sojabohnen durch Raffination durch Extraktion mit Petroleum-Kohlenwasserstoffen
oder durch Pressen mit Spindelpressen gewonnen. Bei der Extraktion
besteht das gewonnene Sojaöl
hauptsächlich
aus Trigliceriden der Ölsäure, Linolsäure und
der Linolensäure.
Andererseits ist Tungöl
ein Trocknungs-Öl,
das oft keine solche Raffinierung erfordert.
-
In
manchen Fällen
kann es gewünscht
sein, eine weitere Veresterung einer Mischung aus Fettsäuren auszulösen, indem
ein Alkohol damit reagiert. Solche Fettsäure-/Alkohol-Ester-Derivate
können
im Allgemeinen gewonnen werden, indem ein beliebiger bekannter Alkohol
benutzt wird, der in der Lage ist, mit einer Fettsäure zu reagieren.
Zum Beispiel können
in der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungen monohydrische und/oder
polyhydrische Alkohole mit weniger als 8 Kohlenstoff-Atomen und
in einigen Ausführungen
mit weniger als 5 Kohlenstoff-Atomen verwendet werden. Spezielle
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung umfassen die Verwendung von Methanol,
Ethanol, Butanol, sowie verschiedener Glykole, wie z.B. Propylenglykol, Hexylenglykol
und so weiter. In einer speziellen Ausführung kann Schellack verestert
werden, indem er wie oben beschrieben mit Alkohol gemischt wird.
Schellack ist speziell eine harzige Ausscheidung eines Insektes, die
eine komplexe Mischung von Fettsäuren
enthält,
die bis zu einem bestimmten Grad verestert sind. Somit werden, wenn
sie mit Alkohol gemischt werden, die Fettsäure-Gruppen von Schellack durch
Reaktion mit dem Alkohol weiter verestert.
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Die
Schutzschicht kann im Allgemeinen in einer Vielzahl unterschiedlicher
Arten aufgebracht werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung das
Kathoden-Substrat in eine Lösung
des gewünschten
Beschichtungsmaterials/der Beschichtungsmaterialien getaucht werden.
Die Lösung
kann ausgebildet werden, indem das gewählte Schutzschicht-Material
in einem Lösungsmittel, wie
z.B. Wasser oder einem nicht wässrigen
Lösungsmittel
gelöst
wird. Einige geeignete nicht wässrige
Lösungsmittel
sind Methanol, Ethanol, Butanol, sowie verschiedene Glykole, wie
Proplyenglykol, Hexylenglykol, Di(ethylenazetat)-Glykol und so weiter,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Besonders gewünschte
nicht wässrige
Lösungsmittel
sind die, welche einen Siedepunkt über ungefähr 80°C, in manchen Ausführungen über ungefähr 120°C und in
manchen Ausführungen über ungefähr 150°C haben.
Wie oben beschrieben kann die Bildung einer Tauch-Lösung unter
Verwendung eines nicht wässrigen
Lösungsmittels
auch zu einer weiteren Veresterung von Fettsäuren führen, wenn solche Harzmaterialien
verwendet werden.
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Das
Kathoden-Substrat kann einmal oder mehrmals in die Lösung getaucht
werden, abhängig
von der gewünschten
Dicke der Schutzschicht. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungen
die Anzahl von Schutzschichten, welche die Schutz-Beschichtung bilden,
von ungefähr
2 bis ungefähr
10, und in manchen Ausführungen
von ungefähr
3 bis ungefähr
7 Schichten liegen. Es muss auch verstanden werden, dass neben Tauchen
andere herkömmliche
Verfahren zum Aufbringen, wie Sputtern, Siebdrucken, Elektrotauchbeschichtung, Elektronenstrahl-Abscheidung,
Vakuum-Abscheidung, Sprühen,
und so weiter benutzt werden können,
um die Schutzschicht aufzubringen.
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Nach
dem Ausbilden der Schutzschicht wird oft gewünscht, dass die Kathode geheizt
oder anders ausgehärtet
wird. Durch Erhitzen wird das Verdunsten von beim Aufbringen verwendeten
Lösungsmitteln
vereinfacht, und es kann auch die Veresterung und/oder Polymerisation
der Harz-Materialien unterstützen.
Die Dauer und die Temperatur, mit der die Erhitzung stattfindet
variiert im Allgemeinen mit den speziellen benutzten Harz-Materialien.
Typischerweise wird jede Schutzschicht mit einer Temperatur getrocknet,
die im Bereich von ungefähr
30°C bis
ungefähr
300°C und
in manchen Ausführungen
von ungefähr
50°C bis
ungefähr
150°C liegt, und
für eine
Dauer, die im Bereich von ungefähr
1 Minute bis ungefähr
60 Minuten und in manchen Ausführungen
von ungefähr
15 Minuten bis ungefähr
30 Minuten liegt. Es muss auch verstanden werden, dass die Erhitzung
nicht nach dem Aufbringen jeder Schicht erfolgen muss, sondern stattdessen
nur nach dem Ausbilden der gesamten Schutz-Beschichtung erfolgen
kann.
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Um
die Veresterung und/oder Polymerisation zu erleichtern, können auch
ein oder mehrere "Dotierungs"-Mittel zur Schutzschicht
hinzugefügt
werden. Ein Beispiel für
ein Dotierungs-Mittel, das verwendet werden kann, ist Schwefelsäure, die
als Katalysator bei der Polymerisation von Schellack dient. "Dotierung" umfasst es dafür zu sorgen,
dass die Moleküle
der Beschichtung ein leitfähiges
Polymer enthalten, und/oder dass die Moleküle der Schutz-Beschichtung
leitfähig
sind. Eine solche Dotierung kann bei der Katalyse von Polymerisations-Reaktionen
der Schutz-Beschichtung und/oder der Beschichtung, die ein leitfähiges Polymer
enthält,
auftreten. Somit kann man bestimmte Dotierstoffe in bestimmten Katalysatoren
finden, die in verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung
verwendet werden. Die Kontrolle des Grades der Dotierung kann in
bestimmten Anwendungen von Kathoden und Kondensatoren gemäß der vorliegenden
Erfindung von Vorteil sein. Zum Beispiel wird angenommen, dass die
Kontrolle des Grades der Dotierung (z.B. die Kontrolle des Ausmaßes, in
dem die Moleküle
in der Schutzschicht und/oder der Beschichtung, die ein leitfähiges Polymer
enthält,
leitfähig
sind) es erlaubt, bestimmte Eigenschaften des resultierenden Kondensators
einzustellen, wie z.B. die Speicherkapazität des Kondensators zu optimieren.
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In
manchen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung, in denen die Kathode eine Schutzschicht
enthält,
kann der Katalysator (z.B. BAYTRON C, wie oben beschrieben) zur
Polymerisation eines leitfähigen
Monomers (z.B. BAYTRON M) mit dem/den Material(ien) gemischt werden,
die zum Ausbilden der Schutzschicht verwendet werden. In solchen
Fällen
kann die Kathode zuerst in eine Lösung getaucht werden, die den
Katalysator und das/die Schutzschicht-Material(ien) enthält, und
die Kathode kann dann in eine Lösung
getaucht werden, die das leitfähige
Monomer enthält.
Als Folge davon kann das leitfähige
Monomer den Katalysator in und/oder auf der Oberfläche der
Schutzschicht kontaktieren und damit reagieren, um die das leitfähige Polymer
enthaltende Beschichtung zu bilden.
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Eine
andere Ausführung
eines Kondensators mit nassem Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in den 1B und 1C gezeigt.
In diesen Figuren enthält
der Kondensator 10 eine Anode 20, die wiederum
ein poröser
Kern aus Metall, wie z.B. Titan, sein kann. In dieser Ausführung ist
das Kathoden-Substrat 12 jedoch eine rechteckförmige Metallfolie
oder ein Abschnitt, statt eines zylinderförmigen Behälters oder Bechers, wie in 1A.
Der Metall-Abschnitt besteht aus einem Metall, das wieder ein Ventilmetall
(wie z.B. Tantal) oder ein Nicht-Ventilmetall (wie z.B. Kupfer oder
Silber) sein kann. Die Kathode in den 1B und 1C enthält eine
Oxid-Beschichtung 14, sowie die optionale Beschichtung
mit einem leitfähigen
Polymer 16 und die Schutz-Beschichtung (nicht gezeigt).
in dieser Ausführung
erstrecken sich diese Beschichtungen über alle Seiten des rechteckförmigen Abschnitts
oder der Folie.
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In
der Ausführung
der 1B und 1C sind
die Anode 20 und die Kathode beide mit einer Spannungsversorgung 30 verbunden
und in einem Glasbecher 32 aufgehängt, so dass sie einander nicht
berühren. Speziell
in den 1B und 1C sind
die Anode 20 und die Kathode einen Abstand von ungefähr 1 Millimeter
entfernt, und die Anode 20 hat eine dielektrische Schicht,
die sich über
ihre Oberfläche
erstreckt. Die Kathode ist durch Punktschweißen mit einem Metalldraht 34 verbunden,
speziell einem Tantal-Draht, und dieser Draht 34 liefert
die elektrische Verbindung zur Spannungsversorgung 30.
Wie in den 1B und 1C gezeigt,
kann die Anode etwas kleiner sein als die Kathode.
-
Obwohl
die 1A–1C verschiedene
Konfigurationen zeigen, die ein Kondensator mit nassem Elektrolyten
der vorliegenden Erfindung verkörpern
kann, können
Kondensatoren der vorliegenden Erfindung auch eine Prismen-Konfiguration haben,
die zwei Kathoden mit einer Anode dazwischen um fasst. Kurz gesagt kann
jede herkömmliche
in der Technik für
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten bekannte Konfiguration verwendet
werden, bei der Kathoden verwendet werden, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind.
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Als
Folge der vorliegenden Erfindung kann ein Kondensator mit nassem
Elektrolyten ausgebildet werden, der ausgezeichnete elektrische
Eigenschaften zeigt. Zum Beispiel kann ein Kondensator mit nassem Elektrolyten,
der unter Verwendung einer hier beschriebenen Kathode ausgebildet
ist, im Vergleich zu herkömmlichen
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten derselben Größe und Konfiguration
einen größeren Wert der
Kathoden-Kapazität
zeigen. Solche großen
Werte der Kathoden-Kapazität
können
zu Kondensatoren mit nassem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung
führen,
die einen verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad haben. Zum Beispiel
kann der volumetrische Wirkungsgrad größer als ungefähr 10.000 μF·V/cm3, in einigen Ausführungen größer als ungefähr 20.000 μF·V/cm3 und in einigen Ausführungen größer als ungefähr 40.000 μF·V/cm3 sein. Ferner können die Kondensatoren mit
nassem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung auch einen relativ
kleinen dielektrischen Verlustfaktor haben. Zum Beispiel können die
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten einen dielektrischen Verlustfaktor
von weniger als ungefähr
50%, in einigen Ausführungen
von weniger als ungefähr
30% und in einigen Ausführungen
von weniger als ungefähr
15% haben.
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Die
Kondensatoren mit nassem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung
können
in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich, aber
nicht begrenzt auf medizinische Anwendungen, wie z.B. Defibrillatoren,
und so weiter, sowie militärische
Anwendungen, wie z.B. RADAR-Systeme und so weiter. Die Kondensatoren
mit nassem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung können auch
in Geräten
der Konsumelektronik eingesetzt werden, wie in Radios, Fernsehgeräten und
so weiter.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit Bezug auf die folgenden Beispiele
besser verstanden werden.
-
Beispiele
-
In
den folgenden Beispielen werden Kondensatoren gemäß verschiedener
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Die Kapazität und der
dielektrische Verlustfaktor der Kondensatoren wurde mit einem Präzisions-LCR-Messgerät Agilent
4284A mit Kelvin-Anschlussleitungen Agilent 16089B mit 2 Volt Vorspannung
und 1 Volt Signal bei 120 Hertz gemessen.
-
In
einigen der unten angegebenen Beispiele werden Tantal-Becher zum
Ausbilden der Kathoden gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt. In diesen speziellen Beispielen werden Tantal-Becher
benutzt, die einen Durchmesser von 9,89 mm und eine Höhe von 26,32
mm haben. Die Kathoden wurden hergestellt, indem zuerst ein Tantal-Becher
in ein Becherglas gestellt wurde und genug Isopropylalkohol (IPA)
hinzugegeben wurde, dass der Tantal-Becher bedeckt war. Der Becher wurde
unter einen Abzug gestellt und 5 Minuten stehen gelassen. Anschließend wurde
der IPA aus dem Tantal-Becher abgegossen, und der Becher konnte
an der Luft trocknen, bis kein IPA mehr vorhanden war. Der Tantal-Becher
wurde dann für
15 Minuten bei 85°C
in einen Trockenofen gestellt.
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Anschließend wurden,
um eine Suspension von NbO2 herzustellen,
ungefähr
9,0 Gramm NbO2-Pulver in einem 20ml-Plastikgefäß abgewogen,
und 8ml IPA wurden in das Plastikgefäß mit dem NbO2-Pulver
gegossen. Das in diesen Beispielen benutzte NbO2-Pulver
ist kommerziell bei Reading Allogs, Inc. in Robesonia, Pennsylvania
erhältlich
und hat eine sehr große
Oberfläche.
Zum Beispiel wurde die BET-Oberfläche mehrerer Proben dieses
NbO2-Pulvers
gemessen und als zwischen ungefähr
3,4 m2/g und ungefähr 6,7 m2/g
ermittelt. Zusätzlich
dazu hatten die NbO2-Teilchen in diesen
Pulver-Proben eine
Teilchengröße zwischen
ungefähr
0,75 μm
und ungefähr
2 μm.
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Ein
Deckel wurde lose auf das Plastikgefäß gelegt, um zu verhindern,
dass Material aus dem Gefäß entwich,
wobei verhindert wurde, dass sich im Gefäß Druck aufbaute. Das Gefäß wurde
in einen 100ml-Messbecher gestellt, der bis zur 40ml-Markierung
mit Wasser gefüllt
war. Der Messbecher wurde dann in ein Ultraschall-Bad gehängt und
30 Minuten lang Ultraschall ausgesetzt. Der Messbecher wurde aus
dem Ultraschall-Bad entfernt, und das Plastikgefäß wurde aus dem Messbecher
entfernt. Wenn die Suspension zu dick erschien, wurde mehr IPA hinzugefügt, und
der Ultraschall-Schritt wurde wiederholt. Wenn die Suspension zu dünn erschien,
wurde der Deckel offen gelassen, so dass ein Teil des IPA verdunstete.
-
Nachdem
die NbO2-Suspension hergestellt wurde, wurde
eine Einweg-Pipette benutzt, um einen Tantal-Becher vollständig zu
füllen.
Speziell wurde der Becher horizontal gehalten und langsam manuell
gedreht, so dass die Wände
des Bechers gleichmäßig mit
der NbO2-Suspension beschichtet wurden.
Der Becher wurde dann aufrecht gestellt und konnte unter Umgebungsbedingungen
trocknen, bis die Beschichtung trocken erschien. Der Becher wurde
dann für
15 Minuten in einen Trockenofen mit 80°C gestellt. Der Becher mit einer Beschichtung
aus NbO2 wurde dann für 10 Minuten vakuum-gesintert.
Die typische Temperatur für
dieses Vakuum-Sintern war 1.150°C,
in einigen der unten angegebenen Beispiele wurden jedoch verschiedene
Sinter-Temperaturen
benutzt, um festzustellen, welchen Einfluss die Sinter-Temperatur
auf die elektrischen Eigenschaften der Kathode haben kann. Der Prozess
des Aufbringens einer zusätzlichen
Beschichtung von NbO2 auf den Becher, Trocknen
des Bechers und des Vakuum-Sinterns des Bechers bei hoher Temperatur
wurde wiederholt, bis die gewünschte
Anzahl von NbO2-Schichten aufgebracht war.
-
Zusätzlich dazu
wurden in einigen der unten angegebenen Beispiele statt der Tantal-Becher
Tantal-Folien, üblicherweise "Abschnitte" genannt, verwendet
um Kathoden gemäß der vorliegenden
Erfindung auszubilden. In Beispielen, in denen Tantal-Abschnitte
benutzt wurden, um mit NbO2 beschichtete
Ka thoden auszubilden, ist die Prozedur des Beschichtens dieselbe
wie oben beschrieben, mit Ausnahme dessen, dass beim Aufbringen
der NbO2-Suspension 3 oder 4 Tropfen der
Suspension auf den Abschnitt getropft werden und dann der Abschnitt
in alle Richtungen geneigt wird, so dass sich die Suspension gleichmäßig über eine
planare Oberfläche
des Abschnitts verteilt. Der beschichtete Abschnitt kann trocknen,
so dass die beschichtete Oberfläche
nach oben zeigt und parallel zum Boden ist, und die andere Oberfläche kann
ebenfalls beschichtet werden.
-
Weiterhin
werden in anderen der unten angegebenen Beispiele Kupferfolien oder
Abschnitte benutzt, um Kathoden gemäß der vorliegenden Erfindung
auszubilden. In diesem Beispiel wurden Kupferfolien mit NbO2 und PEDT beschichtet, und das NbO2 wurde mit einem Binder am Kupfer-Metall
festgehalten.
-
Beispiel 1
-
In
diesem Beispiel wurden Experimente durchgeführt, um die Effektivität von NbO2 zur Erhöhung
der Kapazität
einer Kathode und zur Herstellung eines Kondensators mit nassem
Elektrolyten, der einen verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad
hat, zu bestimmen. Es wurden auch Experimente durchgeführt, um
die richtige Sinter-Temperatur zum Ausbilden der mit NbO2 beschichteten Kathoden zu bestimmen.
-
Drei
Tantal-Folien-Einheiten oder Abschnitte mit 1 cm2 wurden
mit 25 Volt eloxiert, um als Anode eines Kondensators zu dienen.
Zusätzlich
dazu wurden nicht eloxierte Tantal-Folien-Abschnitte mit 1 cm2 auf beiden Seiten mit NbO2 beschichtet,
um als Kathode eines Kondensators zu dienen. Die Prozedur des Beschichtens mit
NbO2 wird oben ausführlich beschrieben.
-
Speziell
wurden in diesem Beispiel drei unterschiedliche Dicken der Beschichtung
mit NbO
2 untersucht. Fünf Tantal-Abschnitte wurden
mit jeder der drei NbO
2-Beschichtungs-Dicken
beschichtet, so dass fünf verschiedene
Sinter-Temperaturen untersucht werden konnten. Die physikalischen
Abmessungen und Beschichtungs-Dicken der in diesem Beispiel ausgebildeten
Kathoden-Teile sind unten in Tabelle I angegeben. Tabelle I
Kathode | Länge (mm) | Breite
(mm) | Höhe (mm) | Gewicht (Gramm) | NbO2-Dicke (μm) |
Standard-Tantal-Kern (Kontrolle) | 34,7 | 11,2 | 6,5 | 16,72 | K.A. |
Tantal-Folie
(Kontrolle) | 10,5 | 10,0 | 0,137 | K.A. | K.A. |
NbO2-beschichtete Tantal-Folie (1) (Erfindung) | 9,7 | 10,2 | 0,147 | K.A. | 10 |
NbO2-beschichtete Tantal-Folie (2) (Erfindung) | 10,5 | 10,5 | 0,152 | K.A. | 15 |
NbO2-beschichtete Tantal-Folie (3) (Erfindung) | 10,4 | 10,7 | 0,160 | K.A. | 23 |
-
Eine
Messschraube wurde benutzt, um die Dicke der unbehandelten Folien
und die Dicke der mit NbO2 beschichteten
Folien zu messen, um die Gesamtdicke der NbO2-Beschichtungen
auf beiden Seiten der behandelten Folien zu bestimmen.
-
Kondensatoren
wurden unter Verwendung jeder der mit NbO2 beschichteten
Tantal-Folien als Kathoden und einer eloxierten Tantal-Folie als
Anode ausgebildet, wobei fünf
verschiedene Sinter-Temperaturen benutzt wurden, um die mit NbO2 beschichteten Tantal-Folien für jeweils
10 Minuten im Vakuum zu sintern. Dann wurden die Kapazität und der
dielektrische Verlustfaktor des Kondensators bestimmt. Speziell
wurden zum Test das Präzisions-LCR-Messgerät Agilent
4284A mit Kelvin-Anschlussleitungen Agilent 16089B mit 2 Volt Vorspannung
und 1 Volt Signal bei 120 Hertz benutzt.
-
Um
die elektrischen Daten zu erhalten, wurde jeder Kondensator in einem
Messbecher mit 18% H2SO4 (der
flüssige
Elektrolyt) getestet, in dem die Anoden- und Kathoden-Folien parallel
zueinander mit einem Anoden-zu-Kathoden-Abstand
von ungefähr
1,0 mm befestigt waren.
-
Tabelle
II zeigt die Werte der effektiven Kapazität und die Werte des dielektrischen
Verlustfaktors für diese
Kondensatoren, die unterschiedliche Dicken der NbO
2-Beschichtung
haben und bei unterschiedlichen Sinter-Temperaturen gesintert wurden. Tabelle II
Kathode
(Erfindung) | Sinter-Temperatur (°C) | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
NbO2 (1) | 1000 | 0,873 | 0,72 |
NbO2 (2) | 1000 | 0,887 | 0,76 |
NbO2 (3) | 1000 | 0,921 | 0,84 |
NbO2 (1) | 1050 | 0,868 | 0,78 |
NbO2 (2) | 1050 | 0,900 | 0,68 |
NbO2 (3) | 1050 | 0,924 | 0,85 |
NbO2 (1) | 1100 | 0,876 | 0,69 |
NbO2 (2) | 1100 | 0.905 | 0,66 |
NbO2 (3) | 1100 | 0,929 | 0,85 |
NbO2 (1) | 1150 | 0,875 | 0,67 |
NbO2 (2) | 1150 | 0,906 | 0,65 |
NbO2 (3) | 1150 | 0,927 | 0,85 |
NbO2 (1) | 1200 | 0,876 | 0,68 |
NbO2 (2) | 1200 | 0,907 | 0,64 |
NbO2 (3) | 1200 | 0,928 | 0,84 |
-
Zum
Vergleich wurde ein Kondensator unter Verwendung des in Tabelle
1 angegebenen Standard-Tantal-Kerns als Kathode und einer eloxierten
Tantal-Folie als Anode ausgebildet. Es wurden Werte der effektiven
Kapazität
und des dielektrischen Verlustfaktors für diesen Kondensator ermittelt,
und dieser elektrische Test fand in einem Nass-Tester statt. Die
Daten sind in der unten stehenden Tabelle III angegeben: Tabelle III
Standard-Tantal-Kern-Kathode(Kontrolle) | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
1 | 0,872 | 1,20 |
2 | 0,902 | 1,15 |
3 | 0,923 | 1,31 |
-
Wieder
zum Vergleich wurde ein Kondensator unter Verwendung der in Tabelle
I angegebenen Tantal-Folie ohne NbO
2-Beschichtung
als Kathode und einer eloxierten Tantal-Folie als Anode ausgebildet.
Es wurden Werte der effektiven Kapazität und des dielektrischen Verlustfaktors
für diesen
Kondensator ermittelt, wobei dieselbe Prozedur verwendet wurde,
wie für
die in der oben stehenden Tabelle II angegebenen Daten. Die Ergebnisse
dieses Tests sind in der unten stehenden Tabelle IV gezeigt: Tabelle IV
Tantal-Folien-Kathode
(Kontrolle) | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
1 | 0,851 | 0,89 |
2 | 0,876 | 0,88 |
3 | 0,893 | 1,09 |
-
Die
in den oben stehenden Tabellen II, III und IV gezeigten Ergebnisse
zeigen, dass Kondensatoren, die gemäß einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung ausgebildet werden, z.B. Kondensatoren, die
mit Kathoden ausgebildet werden, die mit NbO2 beschichtet
und gesintert sind, im Vergleich zu Kontroll-Kondensatoren hohe
Kapazitätswerte
und kleine Werte des die lektrischen Verlustfaktors zeigen. Zum Beispiel
zeigen die Kondensatoren, die die drei mit NbO2 beschichteten
Kathoden enthalten, die bei 1.200°C
gesintert wurden, im Vergleich sowohl zu den Kondensatoren, die
mit einer Kathode aus Tantal-Folie ohne Beschichtung mit NbO2, als auch den Kondensatoren, die mit einer
Standard-Tantal-Kern-Kathode ohne Beschichtung mit NbO2 ausgebildet
wurden, höhere
Kapazitätswerte
und kleinere Werte des dielektrischen Verlustfaktors.
-
Beispiel 2
-
In
diesem Beispiel wurden mehrere Kondensatoren ausgebildet, wobei
anstelle der im oben angegebenen Beispiel 1 verwendeten eloxierten
Folien eine Y100-Tantal-Anode (eine Tantal-Anode mit nominal 100 μF) verwendet
wurde. Ein erster "Kontroll"-Kondensator wurde
unter Verwendung einer Y100-Tantal-Anode und der im oben angegebenen
Beispiel 1 beschriebenen Standard-Tantal-Kern-Kathode ausgebildet.
Ein zweiter "Kontroll"-Kondensator wurde
unter Verwendung einer Y100-Tantal-Anode und der im oben angegebenen Beispiel
1 beschriebenen Tantal-Folie ohne NbO
2-Beschichtung
ausgebildet. Auch wurde ein Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung einer Y100-Tantal-Anode und einer mit NbO
2 beschichteten Tantal-Folie als Kathode
ausgebildet. Speziell war die in diesem Kondensator als Kathode
benutzte mit NbO
2 beschichtete Tantal-Folie
eine Folie aus der Gruppe (3) des Beispiels 1 (z.B. enthielt die
Kathode eine Beschichtung aus NbO
2 mit einer
Gesamt-Dicke von 23 μm),
die bei 1200°C
im Vakuum gesintert wurde. Die effektiven Werte für die Kapazität und den
dielektrischen Verlustfaktor für
diese drei Kondensatoren wurden unter Verwendung derselben Prozedur
erhalten, wie zur Gewinnung der in der oben gezeigten Tabelle IV
angegebenen Daten, und die Ergebnisse sind in der unten stehenden
Tabelle V gezeigt: Tabelle V
Kondensator-Beschreibung | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
Y100
Ta-Anode, Standard-Tantal-Kern-Kathode
(Kontrolle) | 105,6 | 14,82 |
Y100
Ta-Anode, Tantal-Folien-Kathode
(Kontrolle) | 23,3 | 12,50 |
Y100
Ta-Anode, mit NbO2 beschichtete Tantal-Folien-Kathode (Erfindung) | 106,7 | 10,70 |
-
Die
oben in Tabelle V angegebenen Ergebnisse zeigen, dass die Tantal-Folien-Kathode eine
relativ schlechte Kathode ist, während
die mit NbO2 beschichtete Tantal-Folien-Kathode
im Vergleich zur Standard-Zelle zu einer größeren gemessenen Kapazität der gesamten
Zelle und zu einem kleineren dielektrischen Verlustfaktor der gesamten
Zelle führte.
-
Beispiel 3
-
In
diesem Beispiel wurden mehrere Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet und ihre Kapazität
gemessen. Speziell wurden die Kathoden in diesem Beispiel unter
Verwendung von Tantal-Abschnitten oder Folien als Metall-Substrat
ausgebildet, und auf jeden Tantal-Abschnitt oder jede Folie wurde
eine Beschichtung aus NbO2 aufgebracht,
gefolgt von einer Beschichtung, die aus einem leitfähigen PEDT-Polymer
bestand.
-
Die
Prozedur zur Beschichtung der Tantal-Abschnitte mit NbO2 wird
oben detailliert beschrieben, und in diesem Beispiel wurde die Menge
des zur Beschichtung der Tantal-Abschnitte benutzten NbO2 variiert, um die Wirkungen auf die Kapazität zu bestimmen.
Somit enthielten die mit NbO2 beschichteten
Tantal-Folien-Kathoden im Kathoden-Satz 1 0,0056 Gramm NbO2, mit dem das Tantal-Metall beschichtet
wurde, die Kathoden im Kathoden-Satz 2 ent hielten 0,0113 Gramm NbO2, mit dem das Tantal-Metall beschichtet
wurde, und die Kathoden im Kathoden-Satz 3 enthielten 0,014 Gramm
NbO2, mit dem das Tantal-Metall beschichtet
wurde.
-
Zusätzlich dazu
wurden in diesem Beispiel mehrere unterschiedliche Mengen von PEDT
benutzt, um Beschichtungen aus leitfähigem Polymer auf den mit NbO2 beschichteten Kathoden herzustellen, und
diese Mengen lagen im Bereich von 0 Gramm PEDT bis weniger als ungefähr 0,0018
Gramm PEDT. Zum Aufbringen der aus PEDT bestehenden Beschichtungen
auf die mit NbO2 beschichteten Kathoden
wurden die Kathoden in eine Katalysator-Lösung
getaucht, die BAYTRON C enthielt, getrocknet, in eine Monomer-Lösung getaucht, die BAYTRON
M enthielt, und anschließend
getrocknet. Sobald die Kathoden ausgebildet waren, wurden unter Verwendung
einer Standard-Anode Kondensatoren hergestellt, und die Kapazität jedes
Kondensators wurde in μF
gemessen und aufgezeichnet.
-
2 zeigt
einen Graphen der Ergebnisse dieses Beispiels. Speziell zeigt der
Graph in 2, wie sowohl die Menge von
auf die Kathode aufgebrachtem PEDT (in Gramm), als auch die Menge
von auf die Kathode aufgebrachtem NbO2 (in
Gramm) die Kapazität
(in μF)
jedes Kondensators beeinflusst, der unter Verwendung der verschiedenen
Kathoden ausgebildet wurde. Insbesondere ist in 2 die
Kapazität
jedes Kondensators über
Gramm PEDT, die auf der NbO2-Schicht der
Kathode aufgebracht wurden, gezeigt. Wie durch den Anstieg aller
drei Ausgleichskurven in 2 gezeigt, steigt die Kapazität bei steigender
Menge von auf die Kathode aufgebrachtem PEDT bei einer gegebenen
Menge von NbO2 generell an.
-
Die
drei Kurven in 2 repräsentieren die drei stufenweise
dickeren Schichten NbO2 (Kathoden-Satz 1,
2, bzw. 3). 2 zeigt, dass der Anstieg der
Zellen-Kapazität
(in μF) über der
Menge der PEDT-Beschichtung (in Gramm) bei größeren Mengen von NbO2 größer ist
(z.B. ist der Anstieg der Kurve, welche die Datenpunkte für Kathoden-Satz
3 verbindet, größer als
der Anstieg der Kurve, welche die Datenpunkte für Kathoden-Satz 1 verbindet).
-
Beispiel 4
-
In
diesem Beispiel wurden Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet, wobei (1) mit NbO2 beschichtete
Kathoden, sowie (2) mit NbO2/PEDT beschichtete
Kathoden in Verbindung mit einer Vielzahl von Tantal-Anoden benutzt
wurden.
-
Zuerst
wurden sechs Tantal-Becher mit NbO2 beschichtet.
Die Prozedur zur Beschichtung der Tantal-Becher mit NbO2 wird
oben detailliert beschrieben.
-
Kondensatoren
wurden dann unter Verwendung jeder dieser sechs mit NbO
2 beschichteten
Tantal-Becher als Kathode und einer Standard-Anode ausgebildet.
Die Werte von Kapazität
und dielektrischem Verlustfaktor wurden gemessen und in die unten
stehende Tabelle VI eingetragen: Tabelle VI
Becher
Nr. (NbO2-beschichtet) | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
2 | 376 | 23,9 |
3 | 375 | 26,4 |
4 | 370 | 26,2 |
5 | 376 | 24,4 |
6 | 380 | 25,1 |
7 | 381 | 24,5 |
Mittlere
Kapazität | 376 | |
-
Als
nächstes
wurde eine spezielle Anode ausgebildet, und es wurden vier Tantal-Perlen
mit 70.000 uF·V/g
auf einen Streifen geschweißt,
so dass die vier Perlen im Kathoden-Becher hängen konnten, ohne sich gegeneinander zu
berühren
und ohne den Becher zu berühren.
Der Streifen aus Tantal-Perlen wurde dann stufenweise bei Formierungs-Spannungen
von 12 Volt, 18 Volt, 27 Volt und 35 Volt eloxiert. Nach dem Eloxieren bei
jeder der vier Formierungs-Spannungen wurde der Anoden-Streifen
in jeden der mit NbO
2 beschichteten Kathoden-Becher
platziert, und die Zellen-Kapazität wurde gemessen. In diesen
Experimenten wurde als flüssiger
Elektrolyt eine 18%-ige
Lösung
H
2SO
4 verwendet.
Die Ergebnisse dieser Tests wurden in die unten stehende Tabelle
VII eingetragen: Tabelle VII
Becher.
Nr. | C
nach Form. mit 12 Volt (μF) | C
nach Form. mit 18 Volt (μF) | C
nach Form. mit 27 Volt (μF) | C
nach Form. mit 35 Volt (μF) |
3 | 1665 | 1222 | 876 | 670 |
4 | 1575 | 1185 | 860 | 660 |
5 | 1536 | 1201 | 880 | 672 |
6 | 1663 | 1240 | 897 | 680 |
7 | 1670 | 1244 | 899 | 687 |
Mittelwert | 1622 | 1218 | 882 | 674 |
-
Die
exakt gleichen Prozeduren, die für
die Becher 2–7
oben beschrieben wurden, wurden für mehrere zusätzliche
Tantal-Kathoden-Becher wiederholt. In diesen Experimenten wurde
jeder Tantal-Becher jedoch zuerst mit NbO
2 beschichtet
und dann mit leitfähigem
Polymer, speziell PEDT, beschichtet. Die zur Beschichtung der Tantal-Becher
mit NbO
2 verwendete Prozedur wird oben detailliert
beschrieben, und die zur Beschichtung der mit NbO
2 beschichteten
Tantal-Becher mit PEDT verwendete Prozedur umfasst allgemein das
Tauchen der mit NbO
2 beschichteten Becher
in eine Katalysator-Lösung,
die BAYTRON C enthält,
das Trocknen, das Tauchen in eine Monomer-Lösung, die BAYTRON M enthält und das
anschließende
Trocknen. Es wurden Kondensatoren unter Verwendung jeder dieser
mit NbO
2/PEDT beschichteten Tantal-Becher
als Kathode und einer Standard-Anode ausgebildet. Die Werte von
Kapazität
und dielektrischem Verlustfaktor wurden gemessen und in die unten
stehende Tabelle VIII eingetragen: Tabelle VIII
Becher
Nr. (NbO2/PEDT-beschichtet) | Kapazität (μF) | Dielektrischer
Verlustfaktor (%) |
8 | 423 | 25,6 |
9 | 424 | 24,4 |
10 | 426 | 24,1 |
11 | 424 | 25,7 |
12 | 425 | 25,2 |
13 | 426 | 24,9 |
14 | 427 | 24,2 |
Mittlere
Kapazität | 425 | |
-
Wieder
werden beim Ausbilden einer speziellen Anode vier Tantal-Perlen
mit 70.000 μF·V/g auf
einen Streifen geschweißt,
so dass alle vier Perlen im Kathoden-Becher hängen konnten, ohne sich gegeneinander zu
berühren
und den Becher zu berühren.
Der Streifen aus Tantal-Perlen wurde dann stufenweise bei Formierungs-Spannungen
von 12 Volt, 18 Volt, 27 Volt und 35 Volt eloxiert. Nach dem Eloxieren
bei jeder der vier Formierungs-Spannungen wurde der Anoden-Streifen
in jeden der mit NbO
2/PEDT beschichteten
Kathoden-Becher platziert, und die Zellen-Kapazität wurde
gemessen. In diesen Experimenten wurde als flüssiger Elektrolyt eine 18%-ige
Lösung
H
2SO
4 verwendet.
Die Ergebnisse dieser Tests wurden in die unten stehende Tabelle
IX eingetragen: Tabelle IX
Becher
Nr. | C
nach Form. mit 12 Volt (μF) | C
nach Form. mit 18 Volt (μF) | C
nach Form. mit 27 Volt (μF) | C
nach Form. mit 35 Volt (μF) |
9 | 2396 | 1626 | 1087 | 794 |
10 | 2411 | 1640 | 1090 | 796 |
11 | 2326 | 1593 | 1076 | 791 |
12 | 2417 | 1637 | 1091 | 798 |
13 | 2388 | 1620 | 1084 | 795 |
14 | 2440 | 1646 | 1094 | 797 |
Mittelwert | 2396 | 1627 | 1087 | 795 |
-
Um
zu zeigen, wie groß die
Kapazitätswerte
für die
Kondensatoren der Erfindung in diesem Beispiel sind, wurden die
in den oben angegebenen Experimenten benutzten Anoden auch in eine
Standard-Nass-Zelle platziert, um die Kapazität zu testen, nachdem sie mit
jeder von vier Formierungs-Spannungen eloxiert wurden. Der Elektrolyt
in der Standard-Nass-Zelle war auch eine 18%-ige Lösung aus
H
2SO
4. Wie in der
Technik bekannt, enthält
eine Standard-Nass-Zelle eine Kathode, deren Kapazität im Vergleich
zur Kapazität
der Anode so groß ist,
dass die Kapazität
der Gesamt-Zelle gleich der Anoden-Kapazität ist, wobei die Gleichung 1/C
Zelle = 1/C
Anode +
1/C
Kathode verwendet wird. Die aus den Kapazitätsmessungen
in der Standard-Nass-Zelle erhaltenen Ergebnisse sind in der unten
stehenden Tabelle X angegeben: Tabelle X
Formierungs-Spannung | 12
Volt | 18
Volt | 27
Volt | 35
Volt |
Kapazität, gemessen
in Standard-Nass-Testzelle nach Formierung bei angegebener Spannung (μF) | 2291 | 1521 | 981 | 740 |
-
Die
mittleren gemessenen Kapazitätswerte
(siehe Tabelle VII und IX oben) für die beiden Sätze von Kondensatoren,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet wurden (Kondensatoren, die eine mit NbO
2 beschichtete Kathode enthalten, und Kondensatoren,
die eine mit NbO
2/PEDT beschichtete Kathode
enthalten), wurden mit den für
den Standard-Nass-Zellen-Kondensator gemessenen Kapazitätswerten
(siehe Tabelle X oben) verglichen, und die Ergebnisse dieses Vergleichs
sind in der unten stehenden Tabelle XI gezeigt: Tabelle XI
Formierungs-Spannung | Mittl.
Kap. von Zellen, die NbO2-beschichtete Kathoden
enthalten (μF) (Erfindung) | Mittl.
Kap. von Zellen, die NbO2/PEDT-beschichtete Kathoden enthalten
(μF) (Erfindung) | Kap.
der Standard-Testzelle
(μF) (Kontrolle) |
12 | 1622 | 2396 | 2291 |
18 | 1218 | 1627 | 1521 |
27 | 882 | 1087 | 981 |
35 | 674 | 795 | 740 |
-
Offensichtlich
sind die Kapazitäten
der mit den Kathoden der Erfindung hergestellten Kondensatoren (mit
NbO2 oder mit NbO2/PEDT
beschichtet) extrem groß.
-
Die
Daten in der oben stehenden Tabelle XI wurden grafisch dargestellt,
und diese grafische Darstellung ist in 3 angegeben.
Die Kurven in 3 machen deutlich, dass die
Kapazitäten,
die für
die Kondensatoren gemessen wurden, die eine mit NbO2 beschichtete
Kathode enthalten, die Kapazität
eines Standard-Nass-Zellen-Kondensators erreichen.
-
Zusätzlich dazu überstiegen
die Kapazitätswerte,
die für
die Kondensatoren gemessen wurden, die eine Kathode enthielten,
die sowohl mit NbO2, als auch dem leitfähigen Polymer
PEDT beschichtet war, die Kapazität eines Standard-Nass-Zellen-Kondensators.
Solch eine hohe Kapazität
weist darauf hin, dass NbO2 und leitfähige Polymere,
wie z.B. PEDT, synergistisch zusammenwirken, um Kathoden mit einer
beträchtlich höheren Kathoden-Kapazität bereitzustellen,
was sehr wünschenswert
ist.
-
Beispiel 5
-
In
diesem Beispiel wurde Becher Nr. 12 aus dem oben stehenden Beispiel
4 ausgewählt,
um einem weiteren Kapazitätstest
unterzogen zu werden. Wie in Beispiel 4 erläutert, wurde Becher Nr. 12,
ein Tantal-Becher, sowohl mit NbO2 als auch
PEDT beschichtet. Spezieller wurde Becher Nr. 12 mit 0,0893 Gramm
Gesamtgewicht NbO2 und mit 0,0124 Gramm
Gesamtgewicht PEDT beschichtet. Wie oben bezüglich des Tauch-Prozesses unter
Verwendung des Katalysators BAYTRON C und des Monomers BAYTRON M
beschrieben, waren 4 Tauch-Zyklen erforderlich, die ein Eintauchen
in BAYTRON-C-Lösung, das
Trocknen, ein Eintauchen in BAYTRON-M-Lösung und das anschließende Trocknen
umfassten, um den mit NbO2 beschichteten
Tantal-Becher mit
0,0124 Gramm PEDT zu beschichten. Becher Nr. 12 wurde auch bei 1150°C für 10 Minuten
im Vakuum gesintert, um zu bewirken, dass die NbO2/PEDT-Beschichtung
am Tantal-Becher haftet.
-
Als
nächstes
wurden stufenweise größere Anoden
in den Becher Nr. 12 platziert, um den Wert der Kathoden-Kapazität von Becher
Nr. 12 zu bestimmen. Speziell wurden, um solche stufenweise größere Anoden herzustellen,
Tantal-Kern-Anoden aus der Standard-Produktion parallel zusammengeschweißt, wenn
eine größere Anode
gewünscht
wurde. Die Anoden-Kapazitat (CAnode) jeder
stufenweise größeren Anode
war bekannt.
-
Mit
jeder der stufenweise größeren Anoden
wurde die Zellen-Kapazität
des gesamten Kondensators (einschließlich Becher Nr. 12 als Kathode
und jeder stufenweise größeren Anode)
gemessen (CZelle). Eine grafische Darstellung
dieser Daten wird als 4 bereitgestellt. Speziell repräsentiert
die y-Achse in 4 den Kehrwert der Zellen-Kapazität, gemessen
für den
gesamten Kondensator (1/CZelle), während die
x-Achse von 4 den Kehrwert der bekannten
Anoden-Kapazitäten
für jede
stufenweise größere Anode
repräsentiert,
die in Becher Nr. 12 getestet wurde (1/CAnode).
Die Datenpunkte (1/CZelle an bestimmten
Werten von 1/CAnode für jede größere Anode) wurden durch eine
ansteigende Ausgleichsgerade verbunden, die in 4 als
mittlere Linie gezeigt wird. Zusätzlich
dazu wurden als zwei äußere Linien
Kurven für
ein Vertrauensintervall von ± 95%
in 4 aufgenommen.
-
Der
y-Abschnitt der Kurve, die die in 4 enthaltenen
Datenpunkte verbindet, wurde dann untersucht, um die Kathoden-Kapazität des Bechers
Nr. 12 zu erhalten (z.B. 1/CZelle = 1/CAnode + 1/CKathode,
so dass wo 1/CAnode am y-Abschnitt der Kurve in 4 gleich
Null ist, 1/CZelle nur einen Wert für 1/CKathode repräsentieren muss). Insbesondere
hat die Kurve, welche die in 4 enthaltenen
Datenpunkte verbindet, einen positiven y-Abschnitt.
-
5 zeigt
eine Nahaufnahme des y-Abschnittes der grafischen Darstellung der
in 4 enthaltenen Datenpunkte. Der y-Abschnitt von
ungefähr
0,000011 für
die an die Datenpunkte angepasste Kurve (die mittlere Linie) zeigt,
dass der wahrscheinlichste Wert der Kathoden-Kapazität der Kathode
des Bechers Nr. 12 ungefähr
90.000 μF
ist. Wieder sind die Vertrauensintervalle für ± 95% in 5 als
die beiden äußeren Linien enthalten,
und dies liefert eine Untergrenze für die Kathoden-Kapazität des Bechers
Nr. 12 von ungefähr 59.000 μF und die
Obergrenze für
die Kathoden-Kapazität
des Bechers Nr. 12 von ungefähr
200.000 μF.
Die Fläche
des Bechers Nr. 12 war ungefähr
8 cm2, so dass die Kapazität pro Flächeneinheit
für Becher
Nr. 12 ungefähr
90.000/8 oder ungefähr
11.250 μF/cm2 ist.
-
Diese
hohe Kapazität
pro Flächeneinheit,
die man für
Kathoden gemäß der vorliegenden
Erfindung erhält,
führt zu
Kondensatoren, die einen verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad
oder μF·V/cm3 haben. Speziell kann wegen der hohen μF/cm2-Werte der Kathoden, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden, eine dünnere Kathode in jedem gegebenen
Becher verwendet werden. Dies bedeutet, dass im Becher mehr Volumen
für die
Anode bleibt, was die Verwendung größerer Anoden im selben Becher
erleichtert. Hierdurch können
in einem gegebenen Becher Anoden mit höherer Kapazität eingesetzt
werden, als es möglich wäre, wenn
eine viel dickere Kathode im selben Becher erforderlich wäre.
-
Beispiel 6
-
In
diesem Beispiel wurden mehrere Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet und wurden getestet, um ihre Kapazität zu bestimmen. Speziell waren
in diesen Beispielen die Kathoden-Substrate Kupferfolien, und auf
diese Kupferfolien wurden jeweils eine Beschichtung aus NbO2 und eine Beschichtung aus PEDT aufgebracht,
um mehrere Kathoden herzustellen.
-
Die
Kupferfolien-Substrate in diesem Beispiel waren mit Nadellöchern perforiert,
die Durchmesser von ungefähr
0,4 bis ungefähr
3,0 mm hatten. Die Nadellöcher
nahmen zwischen ungefähr
1% und ungefähr
20% der geometrischen Oberfläche
der Kupferfolien-Substrate ein. Die Kupferfolien wurden mit diesen
Perforationen versehen, weil in manchen Fällen das in diesem Beispiel
benutzte Bindemittel (unten erläutert)
Probleme beim Anhaften am Metall-Substrat hatte. In anderen Ausführungen
können
anstelle der physikalischen Perforationen Kopplungs-Mittel benutzt
werden, um die Haftung des Bindemittels am Metall-Substrat zu unterstützen.
-
In
diesem Beispiel wurden mehrere Suspensionen ausgebildet, von denen
jede unterschiedliche Mengen an NbO2-Teilchen,
unterschiedliche Mengen an Polyvinyl-Difluorid (PVDF) als Bindemittel
und N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel enthielten. Speziell
in diesem Beispiel klebt das PVDF-Bindemittel die NbO2-Partikel
an das Kupferfolien-Substrat (z.B. statt alle Arten von Vakuum-Sinter-Prozess,
wie in den anderen, oben stehenden Beispielen benutzt). Während in
diesen Beispielen PVDF als Bindemittel benutzt wurde, können andere
geeignete Bindemittel zum Ankleben der NbO2-Teilchen an ein Metall-Substrat,
wie z.B. eine Kupferfolie, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol,
Polyglykol, Polytetrafluorethylen (PTFE), Carboxymethyl-Zellulose oder Kombinationen
dieser Bindemittel umfassen. Der Gewichts-Prozentsatz des Bindemittels in der
Suspension kann typischerweise von ungefähr 1% bis ungefähr 25% liegen,
abhängig
von dem speziellen benutzten Bindemittel. In diesen Beispielen sind
die Gewichts-Prozentsätze
des PVDF-Bindemittels in jeder NbO2-Suspension,
das zur Beschichtung der Kupferfolien-Substrate benutzt wird, in
der unten stehenden Tabelle XII angegeben.
-
Wie
oben angegeben, wurde in diesem Beispiel NMP als Lösungsmittel
zur Herstellung der NbO2-Suspensionen verwendet,
die auf die Kupferfolien aufgebracht wurden. Weitere geeignete Lösungsmittel
für einen solchen
Prozess sind jedoch Wasser, Ethanol, Isopropylalkohol (IPA), Azeton,
Di(ethylenglykol), Ethylether-Acetat oder Kombinationen dieser Lösungsmittel.
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Die
unten stehende Tabelle XII beschreibt die Beschaffenheit von vier
Kathoden, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet wurden und zeigt, welches Bindemittel in den
NbO
2-Suspensionen enthalten war, um die
NbO
2-Teilchen
an die Kupferfolien anzuhaften, zeigt die zur Herstellung der NbO
2-Suspensionen benutzten
Lösungsmittel
und zeigt die Dicke der resultierenden, aus NbO
2 und
PEDT bestehenden Beschichtung: Tabelle XII
Kupferfolien-Kathode Nr. | Bindemittel | Bindenmittel Gew.-%
in Suspension | Lösungsmittel | NbO2 Gew.-% in Suspension | Dicke
der NbO2/PEDT-Beschichtung (μm) |
1 | PVDF | 5,6 | NMP | 50,8 | ~
100 |
2 | PVDF | 8,7 | NMP | 49,2 | ~
100 |
3 | PVDF | 11,9 | NMP | 47,5 | ~
100 |
4 | PVDF | 7,1 | NMP | 40,3 | ~
100 |
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Zusätzlich zu
den in der NbO2-Suspension enthaltenen Bestandteilen
(z.B. Bindemittel, Lösungsmittel, NbO2-Teilchen) zum Ausbilden der NbO2-Beschichtung
auf Kupferfolien-Kathode Nr. 4 in der oben stehenden Tabelle XII
wurde eine sehr kleine Menge eines leitfähigen Materials, speziell Graphit,
in die NbO2-Suspension aufgenommen, und
das Graphit umfasste weniger als 1 Gewichts-Prozent der Suspension,
die zur Beschichtung der Kupferfolien-Kathode Nr. 4 mit einer aus
NbO2 bestehenden Beschichtung verwendet
wurde.
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass in diesem Beispiel die aus
NbO2 bestehende Beschichtung zuerst auf
jede Kupferfolie aufgebracht und getrocknet wurde, und dann eine
Beschichtung, die aus PEDT bestand, auf den mit NbO2 beschichteten
Kupfer-Metall-Substraten ausgebildet wurde. Die PEDT-Beschichtung wurde
ausgebildet, indem zuerst die mit NbO2 beschichteten
Kupfer-Substrate in eine Monomer-Lösung getaucht wurden, die aus
BAYTRON M bestand, anschließend
die Substrate getrocknet wurden, und dann die Substrate in eine
Katalysator-Lösung,
die aus BAYTRON C bestand, getaucht wurden.
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Unter
Verwendung der oben beschriebenen beschichteten Kupferfolien-Kathoden und einer
Anode wurden Kondensatoren hergestellt. Speziell war in diesem Beispiel
die Anode ein Kern aus NbO, der mit 25 Volt eloxiert wur de und 0,39
Gramm wog. Der flüssige
Elektrolyt in jedem der in diesem Beispiel hergestellten Kondensatoren
war eine 5,0 M Lösung
aus H2SO4.
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Jede
der oben beschriebenen Kathoden auf Kupferbasis hatte einen beschichteten
Oberflächenbereich
(Kupferfolie + beide Seiten mit NbO
2/PEDT
beschichtet) von ungefähr
4,0 cm
2. Die Anoden-Kathoden-Entfernung
in jedem dieser Kondensatoren war ungefähr 0,5 cm. Die Werte der Zellen-Kapazität dieser Kondensatoren
wurden mit einem Präzisions-LCR-Messgerät Agilent
4284A mit Kelvin-Anschlussleitungen Agilent 16089B mit 10,0 Volt
Vorspannung und 1 Volt Signal bei 120 Hertz gemessen. Diese Kapazitätswerte sind
in der unten stehenden Tabelle XIII angegeben: Tabelle XIII
Aus
Kupferfolien-Kathode hergestellter Kondensator Nr. | Zellen-Kapazität (μF) |
1 | 1.750 |
2 | 1.760 |
3 | 1.760 |
4 | 1.600 |
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Nachdem
die oben in Tabelle XIII angegebenen Zellen-Kapazitätswerte
erhalten wurden, wurde eine Schätzung
der Kathoden-Kapazität
der Kupferfolien-Kathode Nr. 1 durchgeführt, wobei die Gleichung 1/CZelle = 1/CKathode +
1/CAnode verwendet wurde. Speziell wurde
das zum Ausbilden der Anode in diesem Beispiel verwendete NbO-Pulver,
das kommerziell bei H.C. Starck erhältlich ist, mit einem gegebenen μF·V/g-Wert
von 120.000 geliefert. Löst
man die Gleichung nach der Kapazität der Kathode auf, zeigte sich,
dass die Kapazität der
Kupferfolien-Kathode Nr. 1 über
26.000 μF
lag. Somit erwiesen sich die Kupferfolien-Kathoden in diesem Beispiel,
die mit NbO2 und PEDT gemäß der vorliegenden
Erfindung beschichtet sind, als sehr gute Kathoden für Elektrolytkondensatoren
mit nassem Elektrolyten.
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Vergleichendes Beispiel
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In
diesem vergleichenden Beispiel wurden Experimente durchgeführt, um
die Kapazität
von Kondensatoren zu bestimmen, die unter Verwendung von Kathoden
ausgebildet wurden, die nur Tantal-Abschnitte oder Folien enthielten,
die mit dem leitfähigen
Polymer PEDT beschichtet waren (z.B. Kathoden ohne eine Beschichtung
mit einem Metalloxid, wie z.B. Niobdioxid). Speziell wurden in diesem
vergleichenden Beispiel mehrere Kathoden ausgebildet, indem nur
Tantal-Abschnitte bereitgestellt wurden und die Tantal-Abschnitte
mit verschiedenen Mengen von PEDT im Bereich von 0 Gramm bis ungefähr 0,0012
Gramm PEDT beschichtet wurden. Unter Verwendung jeder der mit PEDT
beschichteten Kathoden und einer Standard-Anode wurden Kondensatoren
ausgebildet, und die Zellen-Kapazität jedes Kondensators wurde
in μF gemessen
und protokolliert.
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6 zeigt
eine grafische Darstellung der Ergebnisse dieses vergleichenden
Beispiels. Speziell zeigt 6 die grafische
Darstellung der Zellen-Kapazität in μF über der
Menge von PEDT in Gramm, die als Beschichtung jeder Tantal-Folien-Kathode
verwendet wurde. 6 zeigt, dass wenn ein Kondensator
unter Verwendung einer Kathode ausgebildet wird, die nur ein Basis-Tantal-Substrat
enthält
(z.B. ohne jede Metalloxid-Beschichtung, wie z.B. eine Beschichtung
aus NbO2), das mit einem leitfähigen Polymer,
wie z.B. PEDT, beschichtet ist, die Zellen-Kapazität sich verringert,
wenn die Menge des zur Beschichtung des Tantal-Substrates verwendeten
PEDT erhöht
wird.
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Diese
und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung
können
von einem Fachmann durchgeführt
werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusätzlich dazu
versteht sich, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungen
ganz oder teilweise ausgetauscht werden können. Weiterhin wird ein Fachmann
erkennen, dass die oben stehende Beschreibung nur als Beispiel erfolgt und
es nicht beab sichtigt ist, die Erfindung einzuschränken, wie
in den beigefügten
Ansprüchen
weiter beschrieben.
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Zusammenfassung
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Es
wird ein Kondensator mit nassem Elektrolyten bereitgestellt, der
eine Anode, eine Kathode und einen flüssigen Elektrolyten, der dazwischen
angeordnet ist, enthält.
Die Kathode enthält
eine Metalloxid-Beschichtung, wie z.B. NbO2,
in Verbindung mit anderen optionalen Beschichtungen, um dem Kondensator
verbesserte Eigenschaften zu verleihen.