DE112006001194T9 - Kondensatoren mit nassem Elektrolyten - Google Patents

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Abstract

Kondensator mit nassem Elektrolyten, der folgendes umfasst:
eine Anode;
eine Kathode, die ein Metallsubstrat und eine Oxid-Beschichtung enthält, die das Metallsubstrat überzieht, wobei die Oxid-Beschichtung aus einem Nioboxid besteht, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 2,5 aufweist; und
einen flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detaillierter beschrieben.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1A eine Querschnitts-Ansicht einer Ausführung eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 1B eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 1C eine Seitenansicht des Kondensators aus 1B ist;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 5 eine vergrößerte Darstellung des Ursprungs der in 4 gezeigten grafischen Darstellung ist; und
  • 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.
  • 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.
  • Detaillierte Beschreibung repräsentativer Ausführungen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die folgenden chemischen Formeln beschreiben allgemein einen Eloxierungsprozess für Tantal:
  • Anode:
    • 2Ta → 2Ta5 + 10e
    • 2Ta5 + 10OH– → Ta2O5 + 5H2O
  • Kathode:
    • 10H2O + 10e → 5H2 + 10OH
  • 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 (O2) oder Wasser bei erhöhter Temperatur hergestellt werden.
  • 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.
  • 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 H2SO4 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 glykol-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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 NbO0,7, 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.
  • Eine Pulverform von NbO2, die sich zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung eignet, ist kommerziell von Reading Alloys, 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anschließend wurden, um eine Suspension von NbO2 herzustellen, ungefähr 9,0 Gramm NbO2-Pulver in einem 20 ml-Plastikgefäß abgewogen, und 8 ml 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.
  • 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 100 ml-Messbecher gestellt, der bis zur 40 ml-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 NbO2 untersucht. Fünf Tantal-Abschnitte wurden mit jeder der drei NbO2-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 NbO2-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 I 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 NbO2-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 NbO2-Beschichtung ausgebildet. Auch wurde ein Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Y100-Tantal-Anode und einer mit NbO2 beschichteten Tantal-Folie als Kathode ausgebildet. Speziell war die in diesem Kondensator als Kathode benutzte mit NbO2 beschichtete Tantal-Folie eine Folie aus der Gruppe (3) des Beispiels 1 (z. B. enthielt die Kathode eine Beschichtung aus NbO2 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 NbO2 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 μF·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 NbO2 beschichteten Kathoden-Becher platziert, und die Zellen-Kapazität wurde gemessen. In diesen Experimenten wurde als flüssiger Elektrolyt eine 18%-ige Lösung H2SO4 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 NbO2 beschichtet und dann mit leitfähigem Polymer, speziell PEDT, beschichtet. Die zur Beschichtung der Tantal-Becher mit NbO2 verwendete Prozedur wird oben detailliert beschrieben, und die zur Beschichtung der mit NbO2 beschichteten Tantal-Becher mit PEDT verwendete Prozedur umfasst allgemein das Tauchen der mit NbO2 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 NbO2/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 NbO2/PEDT beschichteten Kathoden-Becher platziert, und die Zellen-Kapazität wurde gemessen. In diesen Experimenten wurde als flüssiger Elektrolyt eine 18%-ige Lösung H2SO4 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 H2SO4. 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/CZelle = 1/CAnode + 1/CKathode 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 NbO2 beschichtete Kathode enthalten, und Kondensatoren, die eine mit NbO2/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-Kapazität (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.
  • Die unten stehende Tabelle XII beschreibt die Beschaffenheit von vier Kathoden, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden und zeigt, welches Bindemittel in den NbO2-Suspensionen enthalten war, um die NbO2-Teilchen an die Kupferfolien anzuhaften, zeigt die zur Herstellung der NbO2-Suspensionen benutzten Lösungsmittel und zeigt die Dicke der resultierenden, aus NbO2 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Jede der oben beschriebenen Kathoden auf Kupferbasis hatte einen beschichteten Oberflächenbereich (Kupferfolie + beide Seiten mit NbO2/PEDT beschichtet) von ungefähr 4,0 cm2. 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
  • 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.
  • Vergleichendes Beispiel
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (36)

  1. Kondensator mit nassem Elektrolyten, der folgendes umfasst: eine Anode; eine Kathode, die ein Metallsubstrat und eine Oxid-Beschichtung enthält, die das Metallsubstrat überzieht, wobei die Oxid-Beschichtung aus einem Nioboxid besteht, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 2,5 aufweist; und einen flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist.
  2. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 1,5 aufweist.
  3. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus NbO0,7, NbO1,0, NbO1,1 und NbO2 besteht.
  4. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:0,5 ± 0,2 aufweist.
  5. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid NbO2 ist.
  6. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, der ferner eine Beschichtung enthält, die aus einem leitfähigen Polymer besteht, wobei die Beschichtung aus leitfähigem Polymer die Oxid- Beschichtung überzieht.
  7. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Polymer aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polypyrrolen, Polythiophenen, Polyanilinen, Polyacetylenen, Poly-p-Phenylenen und Kombinationen daraus besteht.
  8. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Polymer Poly(3,4-Ethylendioxid-Thiophen) ist.
  9. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 6, der weiterhin eine Schutzschicht enthält, die zwischen der Oxid-Beschichtung und der Beschichtung aus leitfähigem Polymer angeordnet ist.
  10. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Substrat aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan und Kombinationen daraus besteht.
  11. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Substrat aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Kupfer, Silber und Kombinationen daraus besteht.
  12. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Elektrolyt eine wässrige Lösung aus Schwefelsäure ist.
  13. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Tantal, Aluminium, Titan, Niob, Zirkonium, Hafnium und Kombinationen daraus besteht.
  14. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus einem Oxid oder Nitrid des Metalls besteht.
  15. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid eine BET-Oberfläche von ungefähr 0,5 m2/Gramm bis ungefähr 40 m2/Gramm hat.
  16. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nioboxid eine Teilchengröße von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,5 μm hat.
  17. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen dielektrischen Verlustfaktor von weniger als ungefähr 50% hat.
  18. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen volumetrischen Wirkungsgrad von mehr als ungefähr 10.000 μF·V/cm3 hat.
  19. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen volumetrischen Wirkungsgrad von mehr als ungefähr 20.000 μF·V/cm3 hat.
  20. Verfahren zum Ausbilden eines Kondensators mit nassem Elektrolyten, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Eloxieren einer Oberfläche einer Anode, um eine dielektrische Schicht auszubilden; Aufbringen einer Teilchen-Suspension auf ein Metallsubstrat einer Kathode; Sintern der Suspension, um eine Oxid-Beschichtung auszubilden, wobei die Oxid-Beschichtung aus einem Nioboxid besteht, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 2,5 aufweist; und Anordnen eines flüssigen Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension ein Nioboxid enthält, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 2,5 aufweist
  22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension NbO2 enthält.
  23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension Nb2O5 enthält.
  24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension einen Feststoffgehalt von ungefähr 20 bis ungefähr 80 Gewichtsprozent hat.
  25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Substrat in die Suspension getaucht wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxid-Beschichtung aus mehreren Schichten der Suspension ausgebildet wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten eine Dicke von weniger als ungefähr 150 μm hat.
  28. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension bei einer Temperatur von ungefähr 800°C bis ungefähr 1.400°C gesintert wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 20, das weiterhin das Aufbringen einer Beschichtung aus leitfähigem Polymer, einer Schutz-Beschichtung oder von beiden über der Oxid-Beschichtung umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Elektrolyt eine wässrige Lösung von Schwefelsäure ist.
  31. Kondensator mit nassem Elektrolyten, umfassend: eine Anode; eine Kathode, die ein Metallsubstrat und eine Metalloxid-Beschichtung, eine Schutz-Beschichtung und eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer enthält; und einen flüssigen Elektrolyten, der zwischen und in Kontakt mit der Kathode und der Anode angeordnet ist.
  32. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Beschichtung ein Metall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Niob, Tantal, Aluminium, Titan, Ruthenium und Kombinationen davon besteht.
  33. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutz-Beschichtung die Metalloxid-Beschichtung überzieht und die Beschichtung aus leitfähigem Polymer die Schutz-Beschichtung überzieht.
  34. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen dielektrischen Verlust faktor von weniger als ungefähr 50% hat.
  35. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen volumetrischen Wirkungsgrad von mehr als ungefähr 10.000 μF·V/cm3 hat.
  36. Kondensator mit nassem Elektrolyten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator einen volumetrischen Wirkungsgrad von mehr als ungefähr 20.000 μF·V/cm3 hat.
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