DE112020006024T5

DE112020006024T5 - Tantalkondensator mit erhöhter Stabilität

Info

Publication number: DE112020006024T5
Application number: DE112020006024.1T
Authority: DE
Inventors: Pavel Kucharczyk; Miloslav Uher; Jan Petrzilek
Original assignee: Kyocera Avx Components Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-10-06
Also published as: CN114787951A; US20210175022A1; US11776759B2; WO2021119088A1; JP2023506716A; KR20220113704A

Abstract

Ein Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement enthält, wird bereitgestellt. Das Kondensatorelement enthält einen Anodenkörper, der Tantal enthält, ein den Anodenkörper überdeckendes Dielektrikum und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum überdeckt. Der feste Elektrolyt umfasst ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das Thiophen-Repetiereinheiten enthält. Weiterhin weist der Kondensator eine Festigkeit des Dielektrikums von etwa 0,6 Volt pro Nanometer oder mehr auf. Der Kondensator weist auch eine Lade-Entlade-Kapazität, nachdem er 3000 Zyklen einer Spannungsspitze ausgesetzt war, und eine Anfangskapazität, bevor er der Spannungsspitze ausgesetzt war, auf, wobei das Verhältnis der Lade-Entlade-Kapazität zu der Anfangskapazität etwa 0,75 zu 1 beträgt.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 10. Dezember 2019 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 62/945,913 und der am 12. Dezember 2019 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 62/947,014 , auf die in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Tantalkondensatoren werden typischerweise dadurch hergestellt, dass man ein Tantalpulver um einen Metallanschlussdraht herum presst, den gepressten Teil sintert, die gesinterte Anode anodisiert und danach einen festen Elektrolyten aufträgt. Aufgrund ihres vorteilhaften niedrigen Äquivalentserienwiderstands („ESR“) und des „nichtbrennenden/nichtentzündlichen“ Fehlermechanismus werden als fester Elektrolyt häufig leitfähige Polymere eingesetzt. Zum Beispiel können solche Elektrolyte durch chemische in-situ-Polymerisation eines 3,4-Dioxythiophen-Monomers („EDOT“) in Gegenwart eines Katalysators und eines Dotierungsmittels gebildet werden. Herkömmliche Kondensatoren, in denen in-situ-polymerisierte Polymere eingesetzt werden, weisen jedoch häufig einen relativ hohen Leckstrom („DCL“) auf und versagen bei hohen Spannungen, wie sie beim schnellen Einschalten oder bei Betriebsstromspitzen auftreten. In einem Versuch, diese Probleme zu überwinden, werden auch Dispersionen eingesetzt, die aus einem Komplex von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) und Polystyrolsulfonsäure („PEDOT:PSS“) gebildet werden. Während die PEDOT: PSS-Dispersionen zu verbesserten Leckstromwerten führen können, bleiben dennoch andere Probleme bestehen. Ein Problem mit Kondensatoren auf Polymerdispersionsbasis besteht zum Beispiel darin, dass sie eine relativ schlechte Stabilität der Kapazität aufweisen, wenn sie wiederholten Spannungs-Ladungs-Zyklen unterzogen wurden.
Daher besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten Festelektrolytkondensator, der relativ stabile elektrische Eigenschaften aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der ein Kondensatorelement enthält. Das Kondensatorelement enthält einen Anodenkörper, der Tantal enthält, ein den Anodenkörper überdeckendes Dielektrikum und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum überdeckt. Der feste Elektrolyt umfasst ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das Thiophen-Repetiereinheiten enthält. Weiterhin weist der Kondensator eine Festigkeit des Dielektrikums von etwa 0,6 Volt pro Nanometer oder mehr auf. Der Kondensator weist auch eine Lade-Entlade-Kapazität, nachdem er 3000 Zyklen einer Spannungsspitze ausgesetzt war, und eine Anfangskapazität, bevor er der Spannungsspitze ausgesetzt war, auf, wobei das Verhältnis der Lade-Entlade-Kapazität zu der Anfangskapazität etwa 0,75 zu 1 beträgt.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Figurenliste
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt, dabei sind:

1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Kondensators der Baugruppe der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Kondensators der Baugruppe der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht noch einer anderen Ausführungsform eines Kondensators der Baugruppe der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Draufsicht auf noch eine andere Ausführungsform eines Kondensators der Baugruppe der vorliegenden Erfindung.

Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert sind.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement enthält, das einen Anodenkörper, der Tantal umfasst, ein den Anodenkörper überdeckendes Dielektrikum und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum überdeckt und ein leitfähiges Polymer, das Thiophen-Repetiereinheiten enthält, umfasst, umfasst. Indem sie die besondere Natur des Kondensatorelements und der Materialien, aus denen es besteht, selektiv steuerten, haben die Erfinder herausgefunden, dass ein Kondensator gebildet werden kann, der einen hohen Grad an dielektrischer Festigkeit aufweisen, die die Stabilität der Kapazität verbessern kann. „Dielektrische Festigkeit“ bezieht sich allgemein auf das Verhältnis der „Durchschlagsspannung“ des Kondensators (Spannung, bei der der Kondensator versagt, in Volt, „V“) zur Dicke des Dielektrikums (in Nanometer, „nm“). Der Kondensator weist typischerweise eine dielektrische Festigkeit von etwa 0,6 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,65 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,75 V/nm bis etwa 1 V/nm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 V/nm bis etwa 0,9 V/nm. Der Kondensator kann zum Beispiel eine relativ hohe Durchschlagsspannung aufweisen, wie etwa 55 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 65 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 85 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 90 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 95 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt bis etwa 300 Volt, die bestimmt wird, indem man die angelegte Spannung in Schritten von 3 Volt erhöht, bis der Leckstrom 1 mA erreicht. Während seine Dicke im Allgemeinen je nach der besonderen Stelle des Anodenkörpers variieren kann, wird als „Dicke des Dielektrikums“ für die Zwecke der Bestimmung der dielektrischen Festigkeit im Allgemeinen die größte Dicke des Dielektrikums angesehen, die typischerweise etwa 60 nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 500 nm, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 350 nm und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 300 nm beträgt.
Der resultierende Kondensator kann in der Lage sein, stabile elektrische Eigenschaften (z.B. Kapazität) über einen weiten Bereich unterschiedlicher Bedingungen aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Kapazität nach Einwirkung wiederholter Zyklen einer Spannungsspitze („Lade-Entlade-Kapazität“) zu dem Anfangskapazitätswert vor diesem Test etwa 0,7 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,85 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,91 zu 0,99 und in einigen Ausführungsformen 0,92 zu 0,99 betragen. Die Spannungsspitze kann über 1000 bis 16 000 Zyklen (z.B. 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 8000, 12 000 oder 16 000 Zyklen) angewendet werden. Nach 3000 Zyklen kann der Kondensator zum Beispiel eine Lade-Entlade-Kapazität von 0,75 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,95 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,96 zu 1 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,97 zu 1 aufweisen.
Außerdem kann der Kondensator auch dann stabil bleiben, nachdem er während einer erheblichen Zeitdauer, wie etwa 100 Stunden oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 150 Stunden bis etwa 3000 Stunden (z.B. 3000 Stunden) einer hohen Temperatur, wie etwa 80°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 150 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 105°C bis etwa 130 °C (z.B. 105°C oder 125 °C) ausgesetzt war. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Verhältnis der Kapazität, nachdem der Kondensator 3000 Stunden lang der hohen Temperatur (z.B. 105°C) ausgesetzt war, zu dem Anfangskapazitätswert (z.B. bei 23°C) etwa 0,7 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 zu 1 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,91 bis 0,99, betragen. Der tatsächliche Kapazitätswert (trocken) kann variieren, beträgt aber typischerweise etwa 1 Millifarad pro Quadratzentimeter („mF/cm²“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 mF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 50 mF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 8 bis etwa 20 mF/cm², gemessen bei einer Frequenz von 120 Hz.
Außer den oben genannten kann der Kondensator auch andere verbesserte elektrische Eigenschaften aufweisen. Nachdem er zum Beispiel während einer Zeitdauer von etwa 30 Minuten bis etwa 20 Stunden, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Stunde bis etwa 18 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 4 Stunden bis etwa 16 Stunden einer angelegten Spannung (z.B. 120 Volt) ausgesetzt war, kann der Kondensator einen Leckstrom („DCL“) von nur etwa 100 Mikroampere („µA“) oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 70 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 50 µA aufweisen. Bemerkenswerterweise kann der Kondensator solche niedrigen DCL-Werte auch unter trockenen Bedingungen aufweisen, wie es oben beschrieben ist. Der Kondensator kann auch einen relativ niedrigen äquivalenten Serienwiderstand („ESR“) aufweisen, wie etwa 200 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 150 Milliohm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 125 Milliohm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 100 Milliohm, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23 °C. Der Kondensator kann auch dann solche ESR-Wert aufweisen, nachdem er über eine erhebliche Zeitspanne, wie etwa 100 Stunden oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 150 Stunden bis etwa 3000 Stunden (z.B. 3000 Stunden) einer Temperatur von etwa 80°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 150 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 105°C bis etwa 130 °C (z.B. 105°C oder 125 °C) ausgesetzt war. In einer Ausführungsform zum Beispiel beträgt das Verhältnis des ESR des Kondensators, nachdem er 3000 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. 105°C) ausgesetzt war, zu dem Anfangs-ESR-Wert des Kondensators (z.B. bei 23 °C) etwa 2,0 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 oder weniger und in einigen Ausführungsformen 1,0 bis etwa 1,3 betragen.
Es wird auch vermutet, dass der Verlustfaktor des Kondensators auf relativ niedrigen Werten gehalten werden kann. Der Verlustfaktor bezieht sich im Allgemeinen auf Verluste, die in dem Kondensator stattfinden, und wird gewöhnlich als Prozentanteil der idealen Kondensatorleistung ausgedrückt. Zum Beispiel beträgt der Verlustfaktor des Kondensators typischerweise etwa 250% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 200% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1% bis etwa 180%, bestimmt bei einer Frequenz von 120 Hz.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher beschrieben.
I. Kondensatorelement
A. Anodenkörper
Das Kondensatorelement umfasst eine Anode, die ein Dielektrikum enthält, das auf einem Anodenkörper gebildet ist. Der Anodenkörper kann in Form einer Folie, Metallfolie, eines Netzes, Pellets usw. vorliegen. Unabhängig von seiner Form ist der Anodenkörper typischerweise aus Tantal gebildet. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann der Anodenkörper in Form eines Pellets, das aus einem Tantalpulver besteht, vorliegen. Das Tantalpulver kann durch ein Reduktionsverfahren gebildet werden, bei dem ein Tantalsalz (z.B. Kaliumfluorotantalat (K₂TaF₇), Natriumfluorotantalat (Na₂TaF₇), Tantalpentachlorid (TaCl₅) usw.) mit einem Reduktionsmittel umgesetzt wird. Das Reduktionsmittel kann in Form einer Flüssigkeit, eines Gases (z.B. Wasserstoff) oder eines Feststoffs, wie eines Metalls (z.B. Natrium), einer Metalllegierung oder eines Metallsalzes, bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Tantalsalz (z.B. TaCl₅) auf eine Temperatur von etwa 900°C bis etwa 2000°C, in einigen Ausführungsformen etwa 1000°C bis etwa 1800°C und in einigen Ausführungsformen etwa 1100°C bis etwa 1600°C erhitzt werden, um einen Dampf zu bilden, der in Gegenwart eines gasförmigen Reduktionsmittels (z.B. Wasserstoff) reduziert werden kann. Zusätzliche Einzelheiten zu einer solchen Reduktionsreaktion können in WO 2014/199480 (Maeshima et al.) beschrieben werden. Nach der Reduktion kann das Produkt abgekühlt, zerkleinert und gewaschen werden, wobei ein Pulver entsteht.
Wenn es eingesetzt wird, variiert die spezifische Ladung des Pulvers typischerweise je nach gewünschter Anwendung von etwa 2000 bis etwa 600 000 Mikrofarad mal Volt pro Gramm („µF·V/g“). Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen ein Pulver mit hoher Ladung eingesetzt werden, das eine spezifische Ladung von etwa 100 000 bis etwa 600 000 µF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 120 000 bis etwa 500 000 µF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150 000 bis etwa 400 000 µF·V/g aufweist. In anderen Ausführungsformen kann ein Pulver mit niedriger Ladung eingesetzt werden, das eine spezifische Ladung von etwa 2000 bis etwa 100 000 µF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 5000 bis etwa 80 000 µF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 10 000 bis etwa 70 000 µF·V/g aufweist. Wie in der Technik bekannt ist, kann die spezifische Ladung dadurch bestimmt werden, dass man die Kapazität mit der eingesetzten Anodisierungsspannung multipliziert und dann dieses Produkt durch das Gewicht des anodisierten Elektrodenkörpers dividiert. Das Pulver kann ein rieselfähiges, feinteiliges Pulver sein, das primäre Teilchen enthält. Die primären Teilchen des Pulvers weisen im Allgemeinen eine mediane Größe (D50) von etwa 5 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 250 Nanometer auf, bestimmt unter Verwendung eines von der Beckman Coulter Corporation hergestellten Laser-Teilchengrößenverteilungsanalysegeräts (z.B. LS-230), gegebenenfalls nachdem man die Teilchen 70 Sekunden lang einer Ultraschallschwingung ausgesetzt hat. Die primären Teilchen weisen typischerweise eine dreidimensionale granuläre Form (z.B. sphärolithisch oder winklig) auf. Solche Teilchen weisen typischerweise ein relativ geringes „Aspektverhältnis“ auf, bei dem es sich um den mittleren Durchmesser oder die mittlere Breite der Teilchen, dividiert durch die mittlere Dicke („D/T“), handelt. Zum Beispiel kann das Aspektverhältnis der Teilchen etwa 4 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 2 betragen. Neben primären Teilchen kann das Pulver auch andere Typen von Teilchen enthalten, wie sekundäre Teilchen, die durch Aggregation (oder Agglomeration) der primären Teilchen entstehen. Solche sekundären Teilchen können eine mediane Größe (D50) von etwa 1 bis etwa 500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 250 Mikrometer aufweisen.
Die Agglomeration der Teilchen kann durch Erhitzen der Teilchen und/oder durch Verwendung eines Bindemittels erfolgen. Zum Beispiel kann eine Agglomeration bei einer Temperatur von etwa 0 °C bis etwa 40 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 5 °C bis etwa 35 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 15 °C bis etwa 30 °C erfolgen. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel etwa Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenglycol (z.B. Carbowax von Dow Chemical Co.), Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, hochmolekulare Polyether; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Fluorolefin-Copolymere, Acrylpolymere, wie Natriumpolyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und Copolymere von Niederalkylacrylaten und -methacrylaten; sowie Fettsäuren und Wachse, wie Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Pflanzenwachs, Mikrowachse (gereinigte Paraffine) usw.
Das resultierende Pulver kann mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pulverpressvorrichtung unter Bildung eines Presslings kompaktiert werden. Zum Beispiel kann eine Pressform eingesetzt werden, bei der es sich um eine Einplatz-Kompaktierpresse handelt, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Das Pulver kann um einen Anodenanschluss herum kompaktiert werden, der in Form eines Drahtes, Bleches usw. vorliegen kann. Der Anschluss kann in einer Längsrichtung von dem Anodenkörper ausgehen und kann aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden und/oder Nitriden davon bestehen. Die Verbindung des Anschlusses zum Anodenkörper kann auch mit Hilfe anderer bekannter Techniken erreicht werden, wie durch Schweißen des Anschlusses an den Körper oder durch Einbetten desselben in den Anodenkörper während der Bildung (z.B. vor dem Kompaktieren und/oder Sintern).
Nach dem Pressen kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel entfernt werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z.B. etwa 150 °C bis etwa 500 °C) erhitzt. Alternativ dazu kann das Bindemittel auch entfernt werden, indem man den Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt bringt, wie es im US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist. Danach wird der Pressling unter Bildung einer porösen zusammenhängenden Masse gesintert. Der Pressling wird typischerweise bei einer Temperatur von etwa 700 °C bis etwa 1600 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 800 °C bis etwa 1500 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 900 °C bis etwa 1200 °C über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 8 Minuten bis etwa 15 Minuten gesintert. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Falls gewünscht, kann das Sintern in einer Atmosphäre erfolgen, die die Übertragung von Sauerstoffatomen zum Anodenkörper einschränkt. Zum Beispiel kann das Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., erfolgen. Die reduzierende Atmosphäre kann unter einem Druck von etwa 10 Torr bis etwa 2000 Torr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 1000 Torr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 930 Torr stehen. Gemische von Wasserstoff und anderen Gasen (z.B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden.
B. Dielektrikum
Die Anode ist auch mit einem Dielektrikum beschichtet. Wie oben erwähnt, wird das Dielektrikum dadurch gebildet, dass man die Anode anodisch oxidiert („anodisiert“), so dass über und/oder innerhalb der Anode eine dielektrische Schicht gebildet wird. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst einen Elektrolyten auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. Der Elektrolyt liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit, wie einer Lösung (z.B. wässrig oder nichtwässrig), Dispersion, Schmelze usw. vor. In dem Elektrolyten wird im Allgemeinen ein Lösungsmittel eingesetzt, wie Wasser (z.B. entionisiertes Wasser), Ether (z.B. Diethylether und Tetrahydrofuran), Glycole (z.B. Ethylenglycol, Propylenglycol usw.), Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Triglyceride, Ketone (z.B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z.B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat und Methoxypropylacetat), Amide (z.B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Nitrile (z.B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril), Sulfoxide oder Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) usw. Das oder die Lösungsmittel können etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 80 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist die Verwendung eines wässrigen Lösungsmittels (z.B. Wasser) häufig erwünscht, um die Bildung eines Oxids zu erleichtern. Tatsächlich kann Wasser etwa 1 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% der in dem Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel ausmachen.
Der Elektrolyt ist elektrisch leitfähig und kann eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 1 Millisiemens pro Zentimeter („mS/cm“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 30 mS/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 40 mS/cm bis etwa 100 mS/cm aufweisen, bestimmt bei einer Temperatur von 25 °C. Um die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhöhen, wird im Allgemeinen eine ionische Verbindung eingesetzt, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Geeignete ionische Verbindungen zu diesem Zweck sind zum Beispiel etwa Säuren, wie Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., organische Säuren einschließlich Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Äpfelsäure, Ölsäure, Gallsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Ameisensäure, Essigsäure, Glycolsäure, Oxalsäure, Propionsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Glutarsäure, Gluconsäure, Milchsäure, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Trifluoressigsäure, Barbitursäure, Zimtsäure, Benzoesäure, 4-Hydroxybenzoesäure, Aminobenzoesäure usw., Sulfonsäuren, wie Methansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Naphthalindisulfonsäure, Hydroxybenzolsulfonsäure, Dodecylsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure usw., polymere Säuren, wie Polyacryl- oder Polymethacrylsäure und Copolymere davon (z.B. Maleinsäure-Acrylsäure-, Sulfonsäure-Acrylsäure- und Styrol-Acrylsäure-Copolymere), Carrageensäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure usw., usw. Die Konzentration der ionischen Verbindungen wird so gewählt, dass man die gewünschte elektrische Leitfähigkeit erreicht. Zum Beispiel kann eine Säure (z.B. Phosphorsäure) etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen, Falls gewünscht, können in dem Elektrolyten auch Gemische von ionischen Verbindungen eingesetzt werden.
Zur Bildung des Dielektrikums wird typischerweise ein Strom durch den Elektrolyten geleitet, der sich in Kontakt mit dem Anodenkörper befindet. Der Wert der Bildungsspannung entspricht der Dicke der dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums über der gesamten Oberfläche der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung, bei der die anodische Oxidation erfolgt, liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 250 V und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 150 V. Während der Oxidation kann der Elektrolyt auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, wie etwa 30 °C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40 °C bis etwa 200 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 50 °C bis etwa 100 °C. Die anodische Oxidation kann auch bei Umgebungstemperatur oder darunter durchgeführt werden. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann die dielektrische Schicht in bestimmten Ausführungsformen über die gesamte Anode hinweg eine unterschiedliche Dicke besitzen, indem sie einen ersten Teil, der eine äußere Oberfläche der Anode bedeckt, und einen zweiten Teil, der die innere Oberfläche der Anode bedeckt, besitzt. In solchen Ausführungsformen ist der erste Teil gezielt so ausgebildet, dass seine Dicke größer ist als die des zweiten Teils. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Dicke der dielektrischen Schicht nicht innerhalb eines bestimmten Bereichs gleichmäßig sein muss. Bestimmte Teile der dielektrischen Schicht, die an die äußere Oberfläche angrenzen, können zum Beispiel tatsächlich dünner sein als bestimmte Teile der Schicht an der inneren Oberfläche und umgekehrt. Dennoch kann die dielektrische Schicht so ausgebildet sein, dass wenigstens ein Teil der Schicht an der äußeren Oberfläche eine größere Dicke hat als wenigstens ein Teil an der inneren Oberfläche. Obwohl der genaue Unterschied in diesen Dicken je nach der besonderen Anwendung variieren kann, beträgt das Verhältnis der Dicke des ersten Teils zu der Dicke des zweiten Teils typischerweise etwa 1,2 bis etwa 40, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 bis etwa 25 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20.
Zur Bildung einer dielektrischen Schicht mit einer unterschiedlichen Dicke kann ein mehrstufiges Verfahren eingesetzt werden. In jeder Stufe des Verfahrens wird die gesinterte Anode unter Bildung einer dielektrischen Schicht (z.B. Tantalpentoxid) anodisch oxidiert („anodisiert“). Während des ersten Stadiums der Anodisierung wird typischerweise eine relativ kleine Formierungsspannung eingesetzt, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums für den inneren Bereich erreicht wird, wie Formierungsspannungen im Bereich von etwa 1 bis etwa 90 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 50 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 Volt. Danach kann der gesinterte Körper dann in einem zweiten Stadium des Verfahrens anodisch oxidiert werden, um die Dicke des Dielektrikums auf das gewünschte Niveau zu erhöhen. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass in einem Elektrolyten bei einer höheren Spannung anodisiert wird, als sie während des ersten Stadiums eingesetzt wurde, wie bei Formierungsspannungen im Bereich von etwa 50 bis etwa 350 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 300 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 70 bis etwa 200 Volt. Während des ersten und/oder zweiten Stadiums kann der Elektrolyt auf einer Temperatur im Bereich von etwa 15 °C bis etwa 95 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 20 °C bis etwa 90 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 25 °C bis etwa 85 °C gehalten werden.
Die während des ersten und des zweiten Stadiums des Anodisierungsvorgangs eingesetzten Elektrolyte können gleich oder verschieden sein. Typischerweise ist es jedoch wünschenswert, verschiedene Lösungen einzusetzen, um das Erreichen einer größeren Dicke an den äußeren Teilen der dielektrischen Schicht zu erleichtern. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dass der im zweiten Stadium eingesetzte Elektrolyt eine geringere Ionenleitfähigkeit hat als der im ersten Stadium eingesetzte Elektrolyt, um zu verhindern, dass sich auf der inneren Oberfläche der Anode eine erhebliche Menge an Oxidschicht bildet. In dieser Hinsicht kann der während des ersten Stadiums eingesetzte Elektrolyt eine saure Verbindung, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., enthalten. Ein solcher Elektrolyt kann eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 100 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 20 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10 mS/cm aufweisen, bestimmt bei einer Temperatur von 25 °C. Der während des zweiten Stadiums eingesetzte Elektrolyt enthält typischerweise ein Salz einer schwachen Säure, so dass die Hydroniumionenkonzentration in den Poren infolge eines darin erfolgenden Ladungsdurchgangs zunimmt. Ionentransport oder -diffusion finden so statt, dass sich das Anion der schwachen Säure gemäß der Notwendigkeit, die elektrischen Ladungen auszugleichen, in die Poren bewegt. Als Ergebnis wird die Konzentration der hauptsächlichen leitfähigen Spezies (Hydronium-Ion) bei der Etablierung eines Gleichgewichts zwischen dem Hydroniumion, dem Säureanion und der undissoziierten Säure reduziert, und dadurch entsteht eine schlechter leitfähige Spezies. Die Reduktion der Konzentration der leitfähigen Spezies führt zu einem relativ hohen Spannungsabfall im Elektrolyten, was die weitere Anodisierung im Innern behindert, während auf der Außenseite eine dickere Oxidschicht bis zu einer höheren Formierungsspannung im Bereich der fortgesetzten hohen Leitfähigkeit aufgebaut wird. Zu den geeigneten Salzen schwacher Säuren gehören etwa zum Beispiel Ammonium- oder Alkalimetallsalze (z.B. Natrium, Kalium usw.) von Borsäure, Boronsäure, Essigsäure, Oxalsäure, Milchsäure, Adipinsäure usw. Besonders gut geeignete Salze sind Natriumtetraborat und Ammoniumpentaborat. Solche Elektrolyten weisen typischerweise eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 20 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 10 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 5 mS/cm auf, bestimmt bei einer Temperatur von 25 °C.
Falls gewünscht, kann jedes Stadium der Anodisierung durch einen oder mehrere Zyklen wiederholt werden, um die gewünschte Dicke des Dielektrikums zu erreichen. Weiterhin kann die Anode nach dem ersten und/oder dem zweiten Stadium auch mit einem anderen Lösungsmittel (z.B. Wasser) gespült oder gewaschen werden, um den Elektrolyten zu entfernen.
C. Vorbeschichtung
Falls gewünscht, kann eine Vorbeschichtung eingesetzt werden, die das Dielektrikum bedeckt und zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten liegt. Die Vorbeschichtung kann eine metallorganische Verbindung umfassen, wie eine Verbindung mit der folgenden allgemeinen Formel (V):
wobei

Z ein metallorganisches Atom, wie Silicium, Titan usw., ist;
R₁, R₂ und R₃ unabhängig Alkyl (z.B. Methyl, Ethyl, Propyl usw.) oder Hydroxyalkyl (z.B. Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl usw.) sind, wobei wenigstens eines aus R₁, R₂ und R₃ Hydroxyalkyl ist;
n eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen von 1 bis 6 und in einigen Ausführungsformen von 2 bis 4 (z.B. 3) ist; und
X eine organische oder anorganische funktionelle Gruppe, wie Glycidyl, Glycidyloxy, Mercapto, Amino, Vinyl usw., ist.

In bestimmten Ausführungsformen kann wenigstens eines aus R₁, R₂ und R₃ in Formel (II) Hydroxyalkyl (z.B. OCH₃) sein. Zum Beispiel kann jedes aus R₁, R₂ und R₃ Hydroxyalkyl sein. In anderen Ausführungsformen jedoch kann R₁ Alkyl (z.B. CH₃) sein, und R₂ und R₃ können Hydroxyalkyl (z.B. OCH₃) sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann X eine Aminogruppe sein. Geeignete aminofunktionelle Organosilanverbindungen sind zum Beispiel etwa monoaminfunktionelle Silane mit der folgenden allgemeinen Formel (II):
wobei

R₁, R₂ und R₃ wie oben definiert sind;
R₄ und R₅ unabhängig Wasserstoff, Alkyl, unabhängig Alkyl, Alkenyl, Aryl, Heteroaryl, Cycloalkyl, Heterocyclyl, Halogen, Halogenalkyl, Hydroxyalkyl sind, oder alternativ dazu N, R₄ und R₅ zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Atomen eine Ringstruktur (z.B. Heteroaryl oder Heterocyclyl) bilden; und
Z eine organische Gruppe ist, die das Stickstoffatom mit dem Siliciumatom verknüpft, wie Alkyl (z.B. Ethyl oder Propyl), Aryl (z.B. Phenyl) usw.

Beispiele für monoaminfunktionelle Organosilanverbindungen sind zum Beispiel etwa primäre Aminverbindungen (z.B. 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 4-Aminobutyltriethoxysilan, m-Aminophenyltrimethoxysilan, p-Aminophenyltrimethoxysilan, Aminophenyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltris(methoxyethoxy)silan, 11-Aminoundecyltriethoxysilan, 2(4-Pyridylethyl)triethoxysilan, 2-(Trimethoxysilylethyl)pyridin, N-(3-Trimethoxysilylpropyl)-pyrrol, 3-(m-Aminophenoxypropyl)trimethoxysilan, Aminopropylsilantriol, 3-Aminopropylmethyldiethoxysilan, 3-Aminopropyldiisopropylethoxysilan, 3-Aminopropyldimethylethoxysilan usw.); sekundäre Aminverbindungen (z.B. N-Butylaminopropyltrimethoxysilan, N-Ethylaminoisobutyltrimethoxysilan, n-Methylaminopropyltrimethoxysilan, N-Phenylaminopropyltrimethoxysilan, 3-(N-Allylamino)propyltrimethoxysilan, Cyclohexylaminomethyl)triethoxysilan, N-Cyclohexylaminopropyltrimethoxysilan, N-Ethylaminoisobutylmethyldiethoxysilan, (Phenylaminoethyl)methyldiethoxysilan, N-Phenylaminomethytrimethoxysilan, N-Methylaminopropylmethyldimethoxysilan usw.); tertiäre Aminverbindungen (z.B. Bis(2-hydroxyethyl)3-aminopropyltriethoxysilan, Diethylaminomethyltriethoxysilan, (N,N-Diethyl-3-aminopropyl)trimethoxysilan usw.); sowie Kombinationen davon. Weiterhin kann, falls gewünscht, eine zusätzliche Gruppe an das Stickstoffatom gebunden sein, so dass die Verbindung eine quartäraminfunktionelle Silanverbindung ist.
Es können auch diaminfunktionelle Silanverbindungen eingesetzt werden, wie solche mit der folgenden allgemeinen Formel (III):
wobei

R₁, R₂, R₃, R₄ und R₅ wie oben definiert sind und
Z₁ eine organische Gruppe ist, die das Stickstoffatom mit dem Siliciumatom verknüpft, und Z₂ eine organische Gruppe ist, die die Stickstoffatome miteinander verknüpft, wie Alkyl (z.B. Ethyl oder Propyl), Aryl (z.B. Phenyl) usw. Beispiele für solche diaminofunktionellen Silanverbindungen sind zum Beispiel etwa N-(2-Aminoethyl)aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, N-(6-Aminohexyl)aminomethyltriethoxysilan, N-(6-Aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-11-aminoundecyltrimethoxysilan), (Aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilan, N-3-[(Amino(polypropylenoxy)]aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylsilantriol, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminoisobutylmethyldimethoxysilan, (Aminoethylamino)-3-isobutyldimethylmethoxysilan usw. sowie Kombinationen davon. Triaminonfunktionelle Verbindungen, wie (3-Trimethoxysilylpropyl)diethylentriamin, können ebenfalls eingesetzt werden.
Selbstverständlich können, wie oben angegeben, auch andere funktionelle Gruppen eingesetzt werden. Zum Beispiel können in bestimmten Ausführungsformen schwefelfunktionelle Silanverbindungen eingesetzt werden, wie 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 3-Mercaptopropyltriethoxysilan, 2,2-Dimethoxy-1-thia-2-silacyclopentan, 11-Mercaptoundecyltrimethoxysilan, S-(Octanoyl)-mercaptopropyltriethoxysilan, 2-(2-Pyridylethyl)thiopropyltrimethoxysilan, 2-(4-Pyridethyl)thiopropyltrimethoxysilan, 3-Thiocyantopropyltrimethoxysilan, 2-(3-Trimethoxysilylpropylthio)thiophen, Mercaptomethylmethyldiethoxysilan, 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan, Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]tetrasulfid, Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]disulfid, Bis[m-(2-triethoxysilylethyl)tolyl]polysulfid, Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]thioharnstoff usw. sowie Kombinationen davon.

Die besondere Art und Weise, in der die Vorbeschichtung auf den Kondensatorkörper aufgetragen wird, kann nach Wunsch variieren. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Verbindung in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst und als Lösung auf das Teil aufgetragen, wie etwa durch Siebdruck, Tauchen, elektrophoretische Beschichtung, Sprühen usw. Das organische Lösungsmittel kann variieren, ist aber typischerweise ein Alkohol, wie Methanol, Ethanol usw. Metallorganische Verbindungen können etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Ebenso können Lösungsmittel etwa 90 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 92 Gew.-% bis etwa 99,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 95 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Sobald sie aufgetragen ist, kann das Teil dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen, und eine Vorbeschichtung bilden, die die metallorganische Verbindung enthält.
D. Fester Elektrolyt
Ein fester Elektrolyt bedeckt das Dielektrikum und die optionale Vorbeschichtung und fungiert allgemein als Kathode für den Kondensator. Typischerweise beträgt die Gesamtdicke des festen Elektrolyten etwa 1 bis etwa 50 µm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 µm. Typischerweise enthält der feste Elektrolyt ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das eine positive Ladung aufweist, die sich auf der Hauptkette befindet und wenigstens teilweise durch kovalent an das Polymer gebundene Anionen kompensiert wird. Ein Beispiel für ein geeignetes intrinsisch leitfähiges Polymer kann zum Beispiel Thiophen-Repetiereinheiten der folgenden allgemeinen Formel (I) aufweisen:
wobei

R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b-L ist, wobei L eine Bindung oder HC([CH₂]_cH) ist;
a = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z.B 1) beträgt;
b = 1 bis 18, in einigen Ausführungsformen 1 bis 10 und in einigen Ausführungsformen 2 bis 6 (z.B. 2, 3, 4 oder 5) beträgt;
c = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z.B. 1) beträgt;
M ein Anion, wie SO₃, C(O)O, BF₄, CF₃SO₃, SbF₆, N(SO₂CF₃)₂, C4H₃O₄, ClO₄ usw., ist;
X ein Kation, wie Wasserstoff, ein Alkalimetall (z.B. Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium oder Kalium), Ammonium usw., ist.

In einer besonderen Ausführungsform ist M in Formel (I) ein Sulfonat-Ion, so dass das intrinsisch leitfähige Polymer Repetiereinheiten der folgenden Formel (II) enthält:
wobei R und X wie oben definiert sind. In Formel (I) oder (II) ist a vorzugsweise 1, und b ist vorzugsweise 3 oder 4. Ebenso ist X vorzugsweise Natrium oder Kalium.
Falls gewünscht, kann das Polymer ein Copolymer sein, das andere Arten von Repetiereinheiten enthält. In solchen Ausführungsformen machen die Repetiereinheiten der Formel (I) typischerweise etwa 50 Mol-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Mol-% bis etwa 99 Mol-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Mol-% bis etwa 95 Mol-% der Gesamtmenge der Repetiereinheiten in dem Copolymer aus. Selbstverständlich lann das Polymer auch insofern ein Homopolymer sein, als es 100 Mol-% der Repetiereinheiten der Formel (I) enthält.
In einer anderen Ausführungsform weist das intrinsisch leitfähige Polymer Thiophen-Repetiereinheiten der folgenden allgemeinen Formel (III) auf:
wobei

a und b wie oben definiert sind;
R₅ eine gegebenenfalls substituierte lineare oder verzweigte C₁-C₆-Alkylgruppe (z.B. Methyl) oder ein Halogenatom (z.B Fluor) ist;
X ein Wasserstoffatom, ein Alkalimetall (z.B. Li, Na oder K), NH(R¹)₃ oder HNC₅H₅, wobei R¹ jeweils unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine gegebenenfalls substituierte C₁-C₆-Alkylgruppe ist.

Spezielle Beispiele für Thiophenverbindungen, die zur Bildung solcher Repetiereinheiten verwendet werden, sind sind im US-Patent Nr. 9,718,905 beschrieben und umfassen zum Beispiel etwa Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]-dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-ethyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-propyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-butyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-pentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)-methoxy]-1-hexyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]-dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopropyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isobutyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-fluor-1-propansulfonat, Kalium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, 3-[(2,3-Dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonsäure, Ammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Triethylammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat usw. sowie Kombinationen davon. Jedes der oben exemplarisch genannten Thiophenmonomere kann nach einem bekannten Verfahren (z.B. Journal of Electroanalytical Chemistry, 443, 217 bis 226 (1998)) aus Thieno[3,4-b]-1,4-dioxin-2-methanol und einer verzweigten Sultonverbindung hergestellt werden.
Das intrinsisch leitfähige Polymer kann durch eine Vielzahl von Methoden gebildet werden, wie der Fachmann weiß. In einer besonderen Ausführungsform zum Beispiel kann eine Thiophenverbindung mit der allgemeinen Formel (I) in Gegenwart eines oxidativen Katalysators polymerisiert werden. Derivate dieser Monomere, bei denen es sich zum Beispiel um Dimere oder Trimere der obigen Verbindungen handelt, können ebenfalls eingesetzt werden. Die Derivate können aus gleichen oder unterschiedlichen Monomereinheiten bestehen und in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden. Die Menge des oxidierenden Katalysators, der in dieser Polymerisationsreaktion verwendet wird, unterliegt keiner besonderen Einschränkung und kann in einem Bereich von 1 bis 50 Äquivalenten, besonders bevorzugt 1 bis 20 Äquivalenten, der Menge der als Einsatzmaterial verwendeten Thiophenverbindung liegen. Der oxidative Katalysator kann ein Übergangsmetallsalz sein, wie ein Salz einer anorganischen oder organischen Säure, das Ammonium-, Natrium-, Gold-, Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)- oder Ruthenium(III)-Kationen enthält. Besonders gut geeignete Übergangsmetallsalze sind Halogenide (z.B. FeCl₃ oder HAuCl₄), Salze anderer anorganischer Säuren (z.B. Fe(CI04)3, Fe₂(SO₄)₃, (NH₄)₂S₂O₈ oder Na₃Mo₁₂PO₄₀) und Salze organischer Säuren und anorganischer Säuren, die organische Reste umfassen. Beispiele für Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremonoestern von C₁- bis C₂₀-Alkanolen (z.B. das Eisen(III)-Salz von Laurylsulfat). Ebenso sind Beispiele für Salze von organischen Säuren zum Beispiel Eisen(III)-Salze von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z.B. Methan-, Ethan-, Propan-, Butan- oder Dodecansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z.B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z.B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z.B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); Eisen(III)-Salze von aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z.B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Eisen(III)-Salze von Cycloalkansulfonsäuren (z.B. Camphersulfonsäure); usw. Gemische dieser oben genannten Salze können ebenfalls verwendet werden.
Die oxidative Polymerisation erfolgt im Allgemeinen in Gegenwart von einem oder mehreren Lösungsmitteln. Zu den geeigneten Lösungsmitteln gehören zum Beispiel Wasser, Glycole (z.B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol, Dipropylenglycol usw.), Glycolether (z.B. Methylglycolether, Ethylglycolether, Isopropylglycolether usw.), Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Ketone, (z.B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z.B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat, Methoxypropylacetat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat usw.), Amide (z.B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Sulfoxide oder Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan), phenolische Verbindungen (z.B. Toluol, Xylol usw.) usw. Wasser ist ein besonders gut geeignetes Lösungsmittel für die Reaktion. Die Menge des in dieser Polymerisationsreaktion verwendeten Lösungsmittels unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange die als Material verwendete Thiophenverbindung in dem Lösungsmittel löslich ist, sie beträgt jedoch vorzugsweise das 0,1- bis 100-fache, besonders bevorzugt das 0,1- bis 50-fache, des Gewichts der eingesetzten Thiophenverbindung. Die Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, variiert typischerweise von etwa -20 °C bis etwa 140 °C und in einigen Ausführungsformen von etwa 20 °C bis etwa 100 °C. Nach Beendigung der Reaktion können bekannte Reinigungsmethoden eingesetzt werden, um alle Salzverunreinigungen zu entfernen, wie durch Waschen mit einem Lösungsmittel, Umfällung, zentrifugale Sedimentation, Ultrafiltration, Dialyse oder Behandlung mit einem Ionenaustauscherharz usw. sowie Kombinationen davon.
Unabhängig davon, wie es gebildet wird, gilt das Polymer insofern als „intrinsisch“ leitfähig, als es eine positive Ladung aufweist, die sich auf der Hauptkette befindet und wenigstens teilweise durch kovalent an das Polymer gebundene Anionen kompensiert wird. Das Polymer kann zum Beispiel im trockenen Zustand eine relativ hohe spezifische Leitfähigkeit von etwa 1 Siemens pro Zentimeter („S/cm“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 S/cm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 20 S/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 500 S/cm aufweisen. Als Ergebnis der intrinsischen Leitfähigkeit erfordert die Schicht keine Zugabe von herkömmlichen Dotierungsmitteln, wie Polystyrolsulfonsäure. Tatsächlich kann die Schicht im Wesentlichen frei von solchen Dotierungsmitteln sein. Dennoch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Dotierungsmittel eingesetzt werden können. Wenn sie eingesetzt werden, sind Dotierungsmittel jedoch typischerweise in der Schicht in einer Menge von etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger vorhanden.
Das Polymer ist auch im Allgemeinen gut in Wasser löslich, so dass es leichter und effektiver auf die Anode aufgetragen werden kann. Das lösliche Polymer kann auch die kleinen Poren, die von dem Pulver mit der hohen spezifischen Ladung gebildet werden, leichter imprägnieren, so dass der resultierende feste Elektrolyt eine „filmartige“ Konfiguration aufweist und wenigstens einen Teil der Anode im Wesentlichen gleichmäßig beschichtet. Dadurch wird die Qualität des resultierenden Oxids sowie dessen Oberflächenbedeckung verbessert, und dadurch werden auch die elektrischen Eigenschaften der Kondensatorbaugruppe verbessert.
i. Innere Schichten
Der feste Elektrolyt ist im Allgemeinen aus einer oder mehreren „inneren“ leitfähigen Polymerschichten gebildet. Der Ausdruck „innere“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine oder mehrere Schichten, die aus demselben Material bestehen und die Vorbeschichtung bedecken, entweder direkt oder über eine andere Schicht (z.B. Vorbeschichtung). Die innere Schicht oder Schichten enthalten zum Beispiel typischerweise ein intrinsisch leitfähiges Polymer, wie es oben beschrieben ist. In einer bestimmten Ausführungsform ist oder sind die inneren Schichten im Wesentlichen frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren und bestehen also primär aus intrinsisch leitfähigen Polymeren. Insbesondere können intrinsisch leitfähige Polymere etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z.B. 100 Gew.-%) der inneren Schicht oder Schichten ausmachen. Es kann eine einzige oder es können mehrere innere Schichten eingesetzt werden. Zum Beispiel enthält der feste Elektrolyt typischerweise 2 bis 30, in einigen Ausführungsformen 4 bis 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis 15 innere Schichten (z.B. 10 Schichten).
Die innere Schicht oder Schichten können in Form einer Lösung, die ein Lösungsmittel enthält, aufgetragen werden. Die Konzentration des Polymers kann je nach der gewünschten Viskosität der Schicht und der besonderen Art und Weise, wie sie auf die Anode aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch macht das Polymer etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Lösung aus. Das oder die Lösungsmittel können ebenso etwa 90 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 95 Gew.-% bis etwa 99,6 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 96 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Während sicher auch andere Lösungsmittel eingesetzt werden können, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass Wasser das primäre Lösungmittel ist, so dass die Lösung als „wässrige“ Lösung gilt. In den meisten Ausführungsformen macht Wasser zum Beispiel wenigstens etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 75 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% des oder der eingesetzten Lösungsmittel aus. Wenn eine Lösung eingesetzt wird, kann sie mit Hilfe irgendeiner bekannten Methode, wie Tauchen, Gießen (z.B. Vorhangbeschichtung, Schleuderbeschichtung usw.), Drucken (z.B. Tiefdruck, Offsetdruck, Siebdruck usw.) usw. auf die Anode aufgetragen werden. Die resultierende Schicht des leitfähigen Polymers kann getrocknet und/oder gewaschen werden, nachdem sie auf die Anode aufgetragen wurde.
ii. Äußere Schichten
Der feste Elektrolyt kann nur „innere Schichten“ enthalten, so dass er im Wesentlichen aus demselben Material, d.h. intrinsisch leitfähigen Polymeren, besteht. Dennoch kann der feste Elektrolyt in anderen Ausführungsformen auch eine oder mehrere optionale „äußere“ leitfähige Polymerschichten enthalten, die aus einem anderen Material als die innere Schicht oder Schichten bestehen und die innere Schicht oder Schichten bedecken. Zum Beispiel kann die äußere oder können die äußeren Schichten ein extrinsisch leitfähiges Polymer enthalten. In einer besonderen Ausführungsform besteht oder bestehen die äußeren Schichten insofern primär aus solchen extrinsisch leitfähigen Polymeren, als diese etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z.B. 100 Gew.-%) der jeweiligen äußeren Schicht ausmachen. Es kann eine einzige oder es können mehrere äußere Schichten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der feste Elektrolyt 2 bis 30, in einigen Ausführungsformen 4 bis 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis 15 äußere Schichten enthalten.
Wenn es eingesetzt wird, kann das extrinsisch leitfähige Polymer zum Beispiel Repetiereinheiten der folgenden Formel (IV) aufweisen:
wobei

R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter C₁- bis C₁₈-Alkylrest (z.B. Methyl, Ethyl, n- oder Isopropyl, n-, iso-, sek- oder tert-Butyl, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n-Hexadecyl, n-Octadecyl usw.); ein C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z.B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein C₆- bis C₁₄-Arylrest (z.B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z.B. Benzyl, o-, m-, p-Tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6, 3,4-, 3,5-Xylyl, Mesityl usw.); ein C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder Hydroxyrest; und
q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 ist. In einer besonderen Ausführungsform ist „q“ = 0, und das Polymer ist Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Ein kommerziell geeignetes Beispiel für ein Monomer, das für die Bildung eines solchen Polymers geeignet ist, ist 3,4-Ethylendioxythiophen, das von Heraeus unter der Bezeichnung Clevios™ M erhältlich ist.

Die Polymere der Formel (IV) gelten allgemein insofern als „extrinsisch“ leitfähig, als sie typischerweise die Gegenwart eines separaten Gegenions erfordern, das nicht kovalent an das Polymer gebunden ist. Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein, das der Ladung des leitfähigen Polymers entgegenwirkt. Polymere Anionen können zum Beispiel Anionen von polymeren Carbonsäuren (z.B. Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäuren usw.), polymeren Sulfonsäuren (z.B. Polystyrolsulfonsäuren („PSS“), Polyvinylsulfonsäuren usw.) usw. sein. Die Säuren können auch Copolymere, wie Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäure mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Ebenso sind geeignete monomere Anionen zum Beispiel Anionen von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z.B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z.B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z.B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z.B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z.B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Cycloalkansulfonsäuren (z.B. Kamphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluorophosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexachloroantimonate); usw. Besonders gut geeignete Gegenionen sind polymere Anionen, wie eine polymere Carbon- oder Sulfonsäure (z.B. Polystyrolsulfonsäure („PSS“)). Das Molekulargewicht solcher polymeren Anionen liegt typischerweise im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2 000 000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500 000.
Wenn es eingesetzt wird, kann es wünschenswert sein, dass das extrinsisch leitfähige Polymer in Form einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Teilchen aufgetragen wird. Solche Teilchen haben typischerweise eine mittlere Größe (z.B. Durchmesser) von etwa 1 bis etwa 100 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 80 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 50 Nanometer. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden. Die Form der Teilchen kann ebenfalls variieren. In einer besonderen Ausführungsform haben die Teilchen zum Beispiel eine sphärische Form. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch andere Formen in Betracht gezogen werden, wie Platten, Stäbe, Scheiben, Blöcke, Röhrchen, unregelmäßige Formen usw. Die Konzentration der Teilchen in der Dispersion kann je nach der gewünschten Viskosität der Dispersion und der besonderen Art und Weise, wie die Dispersion auf das Kondensatorelement aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch machen die Teilchen etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Dispersion aus.
Die Dispersion kann auch ein oder mehrere Bindemittel enthalten, um die Klebrigkeit der polymeren Schicht weiter zu erhöhen und auch die Stabilität der Teilchen innerhalb der Dispersion zu erhöhen. Die Bindemittel können organischer Natur sein, wie Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylchloride, Polyvinylacetate, Polyvinylbutyrate, Polyacrylsäureester, Polyacrylsäureamide, Polymethacrylsäureester, Polymethacrylsäureamide, Polyacrylnitrile, Styrol/Acrylsäureester, Vinylacetat/Acrylsäureester und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Polybutadiene, Polyisoprene, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Polysulfone, Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxyharze, Silikonharze oder Cellulosen. Es können auch Vernetzungsmittel eingesetzt werden, um die Adhäsionsfähigkeit der Bindemittel zu erhöhen. Solche Vernetzungsmittel sind zum Beispiel Melaminverbindungen, maskierte Isocyanate oder vernetzbare Polymere, wie Polyurethane, Polyacrylate oder Polyolefine, und anschließende Vernetzung.
Es können auch Dispersionsmittel eingesetzt werden, um die Auftragbarkeit der Schicht auf die Anode zu verbessern. Zu den geeigneten Dispersionsmitteln gehören Lösungsmittel, wie aliphatische Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol und Butanol), aliphatische Ketone (z.B. Aceton und Methylethylketone), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Ethylacetat und Butylacetat), aromatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Toluol und Xylol), aliphatische Kohlenwasserstoffe (z.B.
Hexan, Heptan und Cyclohexan), chlorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. Dichlormethan und Dichlorethan), aliphatische Nitrile (z.B. Acetonitril), aliphatische Sulfoxide und Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid und Sulfolan), aliphatische Carbonsäureamide (z.B. Methylacetamid, Dimethylacetamid und Dimethylformamid), aliphatische und araliphatische Ether (z.B. Diethylether und Anisol), Wasser sowie Gemische irgendwelcher der obigen Lösungsmittel. Ein besonders gut geeignetes Dispersionsmittel ist Wasser.
Außer den oben genannten können auch noch andere Bestandteile in der Dispersion verwendet werden. Zum Beispiel können herkömmliche Füllstoffe verwendet werden, die eine Größe von etwa 10 Nanometer bis etwa 100 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Nanometer bis etwa 50 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Nanometer bis etwa 30 Mikrometer aufweisen. Beispiele für solche Füllstoffe sind Calciumcarbonat, Silicate, Siliciumoxid, Calcium- oder Bariumsulfat, Aluminiumhydroxid, Glasfasern oder -kolben, Holzmehl, Cellulosepulver, Ruß, elektrisch leitfähige Polymere usw. Die Füllstoffe können in Pulverform in die Dispersion eingeführt werden, können jedoch auch in einer anderen Form, etwa als Fasern, vorliegen.
Grenzflächenaktive Substanzen, wie ionische oder nichtionische Tenside, können ebenfalls in der Dispersion eingesetzt werden. Weiterhin können Kleber eingesetzt werden, wie organofunktionelle Silane oder ihre Hydrolysate, zum Beispiel 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan oder Octyltriethoxysilan. Die Dispersion kann auch Additive enthalten, die die Leitfähigkeit erhöhen, wie Ethergruppen enthaltende Verbindungen (z.B. Tetrahydrofuran), Lactongruppen enthaltende Verbindungen (z.B. γ-Butyrolacton oder γ-Valerolacton), Amid- oder Lactamgruppen enthaltende Verbindungen (z.B. Caprolactam, N-Methylcaprolactam, N,N-Dimethylacetamid, N-Methylacetamid, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylformamid, N-Methylformanilid, N-Methylpyrrolidon (NMP), N-Octylpyrrolidon oder Pyrrolidon), Sulfone und Sulfoxide (z.B. Sulfolan (Tetramethylensulfon) oder Dimethylsulfoxid (DMSO)), Zucker oder Zuckerderivate (z.B. Saccharose, Glucose, Fructose oder Lactose), Zuckeralkohole (z.B. Sorbit oder Mannit), Furanderivate (z.B. 2-Furancarbonsäure oder 3-Furancarbonsäure) und Alkohole (z.B. Ethylenglycol, Glycerin, Di- oder Triethylenglycol).
Die Dispersion kann mit Hilfe einer Vielzahl von bekannten Techniken auf den Teil aufgetragen werden, wie durch Schleuderbeschichtung, Imprägnierung, Gießen, tropfenweise Auftragung, Spritzen, Sprühen, Rakeln, Bürsten oder Drucken (z.B. Tintenstrahl-, Sieb- oder Blockdruck), oder Tauchen. Die Viskosität der Dispersion beträgt typischerweise etwa 0,1 bis etwa 100 000 mPa·s (gemessen bei einer Scherrate von 100 s^-1), in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10000 mPa·s, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 1500 mPa·s und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 1000 mPa·s.
Falls gewünscht, kann in der oder den äußeren Schichten des festen Elektrolyten auch ein hydroxyfunktionelles nichtionisches Polymer eingesetzt werden. Der Ausdruck „hydroxyfunktionell" bedeutet im Allgemeinen, dass die Verbindung wenigstens eine hydroxyfunktionelle Gruppe enthält oder eine solche funktionelle Gruppe in Gegenwart eines Lösungsmittels besitzen kann. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass die Verwendung eines hydroxyfunktionellen Polymers mit einem bestimmten Molekulargewicht die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Zersetzung bei hohen Spannungen minimieren kann. Zum Beispiel kann das Molekulargewicht des hydroxyfunktionellen Polymers etwa 100 bis 10000 Gramm pro Mol, in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis 2000, in einigen Ausführungsformen etwa 300 bis etwa 1200 und in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 800 betragen.
Zu diesem Zweck können im Allgemeinen eine Vielzahl von hydroxyfunktionellen nichtionischen Polymeren eingesetzt werden. In einer Ausführungsform ist das hydroxyfunktionelle Polymer zum Beispiel ein Polyalkylenether. Polyalkylenether können Polyalkylenglycole (z. B. Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polytetramethylenglycole, Polyepichlorhydrine usw.), Polyoxetane, Polyphenylenether, Polyetherketone usw. umfassen. Polyalkylenether sind typischerweise vorwiegend lineare, nichtionische Polymere mit terminalen Hydroxygruppen. Besonders gut geeignet sind Polyethylenglycole, Polypropylenglycole und Polytetramethylenglycole (Polytetrahydrofurane), die durch Polyaddition von Ethylenoxid, Propylenoxid oder Tetrahydrofuran an Wasser hergestellt werden. Die Polyalkylenether können durch Polykondensationsreaktionen aus Diolen oder Polyolen hergestellt werden. Die Diolkomponente kann insbesondere aus gesättigten oder ungesättigten, verzweigten oder unverzweigten, aliphatischen Dihydroxyverbindungen, die 5 bis 36 Kohlenstoffatome enthalten, oder aromatischen Dihydroxyverbindungen, wie zum Beispiel Pentan-1 ,5-diol, Hexan-1,6-diol, Neopentylglycol, Bis(hydroxymethyl)cyclohexanen, Bisphenol A, Dimerdiolen, hydrierten Dimerdiolen oder auch Gemischen der genannten Diole ausgewählt sein. Außerdem können in der Polymerisationsreaktion auch mehrwertige Alkohole, einschließlich zum Beispiel Glycerin, Di- und Polyglycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit oder Sorbit, verwendet werden.
Neben den oben genannten können in der vorliegenden Erfindung auch andere hydroxyfunktionelle nichtionische Polymere eingesetzt werden. Einige Beispiele für solche Polymere sind zum Beispiel ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte oder propoxylierte C₆-C₂₄-Fettalkohole, Polyoxyethylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₂H₄)-OH (z.B. Octaethylenglycolmonododecylether und Pentaethylenglycolmonododecylether); Polyoxypropylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₃H₆)-OH; Polyoxyethylenglycoloctylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₈H₁₇-(C₆H₄)(O-C₂H₄)_1-25-OH (z.B. Triton™ X-100); Polyoxyethylenglycolalkylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₉H₁₉-(C₆H₄)-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z.B. Nonoxynol-9); Polyoxyethylenglycolester von C₈-C₂₄-Fettsäuren, wie Polyoxyethylenglycolsorbitanalkylester (z.B. Polyoxyethylen(20)sorbitanmonolaurat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonopalmitat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonostearat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonooleat, PEG20-Methylglucosedistearat, PEG-20-Methylglucosesesquistearat, PEG-80-Ricinusöl und PEG-20-Ricinusöl, PEG-3-Ricinusöl, PEG-600-dioleat und PEG-400-dioleat) und Polyoxyethylenglycerinalkylester (z.B. Polyoxyethylen-23-glycerinlaurat und Polyoxyethylen-20-glycerinstearat); Polyoxyethylenglycolether von C₈-C₂₄-Fettsäuren (z.B. Polyoxyethylen-10-cetylether, Polyoxyethylen-10-stearylether, Polyoxyethylen-20-cetylether, Polyoxyethylen-10-oleylether, Polyoxyethylen-20-oleylether, Polyoxyethylen-20-isohexadecylether, Polyoxyethylen-15-tridecylether und Polyoxyethylen-6-tridecylether); Blockcopolymere von Polyethylenglycol und Polypropylenglycol (z.B. Poloxamere) usw. sowie Gemische davon.
Das hydroxyfunktionelle nichtionische Polymer kann auf vielerlei verschiedenen Wegen in den festen Elektrolyten eingebaut werden. In bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel kann das hydroxyfunktionelle Polymer einfach in beliebige Schichten eingebaut werden, die durch die oben beschriebene einleitende Dispersion gebildet werden. In solchen Ausführungsformen beträgt die Konzentration des hydroxyfunktionellen Polymers in der Dispersion typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%. In anderen Ausführungsformen jedoch kann das hydroxyfunktionelle Polymer aufgetragen werden, nachdem die erste Polymerdispersion auf den Anodenkörper aufgetragen wird. In solchen Ausführungsformen kann die zum Aufträgen des hydroxyfunktionellen Polymers verwendete Technik variieren. Zum Beispiel kann das Polymer mit Hilfe von verschiedenen Verfahren, wie Tauchen, Eintauchen, Gießen, Tropfen, Spritzen, Sprühen, Ausbreiten, Streichen oder Drucken, zum Beispiel durch Tintenstrahl-, Siebdruck oder Tampondruck, in Form einer flüssigen Lösung aufgetragen werden. In der Lösung können dem Fachmann bekannte Lösungsmittel, wie Wasser, Alkohole oder ein Gemisch davon, eingesetzt werden. Die Konzentration des hydroxyfunktionellen Polymers in einer solchen Lösung liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 15 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Lösung. Falls gewünscht, können solche Lösungen im Wesentlichen frei von leitfähigen Polymeren sein. Zum Beispiel können leitfähige Polymere etwa 2 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% oder weniger der Lösung ausmachen.
E. Externe Polymerbeschichtung
Falls gewünscht, kann auch eine externe Polymerbeschichtung den festen Elektrolyten bedecken. Die externe Polymerbeschichtung kann eine oder mehrere Schichten enthalten, die aus vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen gebildet sind, wie es oben beschrieben ist. Die externe Beschichtung kann in der Lage sein, weiter in den Randbereich des Kondensatorkörpers einzudringen, um die Haftung am Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, was den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Da man im Allgemeinen den Grad der Randabdeckung verbessern und nicht das Innere der Anode imprägnieren möchte, sind die in der externen Beschichtung verwendeten Teilchen typischerweise größer als die in irgendwelchen optionalen Dispersionen des festen Elektrolyten eingesetzten.
Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der mittleren Größe der in der externen Polymerbeschichtung verwendeten Teilchen zur mittleren Größe der in irgendeiner Dispersion des festen Elektrolyten eingesetzten Teilchen typischerweise etwa 1,5 bis etwa 30, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 15. Zum Beispiel können die in der Dispersion der externen Beschichtung eingesetzten Teilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 800 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 600 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 500 Nanometer aufweisen.
Gegebenenfalls kann auch ein Vernetzungsmittel in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, um den Grad der Haftung am festen Elektrolyten zu verstärken. Typischerweise wird das Vernetzungsmittel vor der Auftragung der in der externen Beschichtung verwendeten Dispersion aufgetragen. Geeignete Vernetzungsmittel sind zum Beispiel in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2007/0064376 (Merker et al.) beschrieben und umfassen zum Beispiel Amine (z.B. Diamine, Triamine, Oligomeramine, Polyamine usw.); mehrwertige Metallkationen, wie Salze oder Verbindungen von Mg, Al, Ca, Fe, Cr, Mn, Ba, Ti, Co, Ni, Cu, Ru, Ce oder Zn, Phosphoniumverbindungen, Sulfoniumverbindungen usw. Besonders gut geeignete Beispiele sind zum Beispiel 1,4-Diaminocyclohexan, 1,4-Bis(aminomethyl)cyclohexan, Ethylendiamin, 1,6-Hexandiamin, 1,7-Heptandiamin, 1,8-Octandiamin, 1,9-Nonandiamin, 1,10-Decandiamin, 1,12-Dodecandiamin, N,N-Dimethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butandiamin usw. sowie Gemische davon.
Das Vernetzungsmittel wird typischerweise aus einer Lösung oder Dispersion aufgetragen, deren pH-Wert 1 bis 10, in einigen Ausführungsformen 2 bis 7 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 6 beträgt, bestimmt bei 25 °C. Saure Verbindungen können eingesetzt werden, um das Erreichen des gewünschten pH-Werts zu unterstützen. Beispiele für Lösungsmittel oder Dispergiermittel für das Vernetzungsmittel sind Wasser oder organische Lösungsmittel, wie Alkohole, Ketone, Carbonsäureester usw. Das Vernetzungsmittel kann durch irgendein bekanntes Verfahren, wie Schleuderbeschichtung, Imprägnieren, Gießen, tropfenweise Auftragung, Sprühauftragung, Aufdampfen, Sputtern, Sublimation, Rakelbeschichtung, Streichen oder Drucken, zum Beispiel durch Tintenstrahl-, Siebdruck oder Tampondruck, auf den Kondensatorkörper aufgetragen werden.
Sobald es aufgetragen ist, kann das Vernetzungsmittel getrocknet werden, bevor die Polymerdispersion aufgetragen wird. Dann kann dieser Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Zum Beispiel kann die Gesamtdicke der gesamten externen Polymerbeschichtung einschließlich des Vernetzungsmittels und der Dispersionsschichten im Bereich von etwa 1 bis etwa 50 µm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 40 µm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 µm liegen.
F. Kathodenbeschichtung
Falls gewünscht, kann das Kondensatorelement auch eine Kathodenbeschichtung umfassen, die den festen Elektrolyten und andere optionale Schichten (z.B. eine externe Polymerbeschichtung) bedeckt. Die Kathodenbeschichtung kann eine Metallteilchenschicht enthalten, die eine Vielzahl von innerhalb einer Polymermatrix dispergierten leitfähigen Metallteilchen umfasst. Die Teilchen machen typischerweise etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 60 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% der Schicht aus, während die Polymermatrix typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% der Schicht ausmacht.
Die leitfähigen Metallteilchen können aus einer Vielzahl verschiedener Metalle bestehen, wie Kupfer, Nickel, Silber, Nickel, Zink, Zinn, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium usw. sowie Legierungen davon. Silber ist ein besonders gut geeignetes leitfähiges Metall für die Verwendung in der Schicht. Die Metallteilchen haben häufig eine relativ geringe Größe, wie eine mittlere Größe von etwa 0,01 bis etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 40 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 30 Mikrometer. Typischerweise wird nur eine einzige Metallteilchenschicht eingesetzt, obwohl man sich darüber im Klaren sein sollte, dass auch mehrere Schichten eingesetzt werden können, falls es gewünscht ist. Die Gesamtdicke dieser Schicht oder Schichten liegt typischerweise im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 500 µm, in einigen Ausführungsformen etwa 5 µm bis etwa 200 µm und in einigen Ausführungsformen etwa 10 µm bis etwa 100 µm.
Die Polymermatrix umfasst typischerweise ein Polymer, das thermoplastischer oder duroplastischer Natur sein kann. Typischerweise jedoch ist das Polymer so gewählt, dass es als Sperre für die Elektromigration von Silberionen wirken kann, und auch so, dass es eine relativ kleine Menge polarer Gruppen enthält, um den Grad der Wasseradsorption in der Kathodenbeschichtung zu minimieren. In dieser Hinsicht haben die Erfinder herausgefunden, dass Vinylacetalpolymere für diesen Zweck besonders gut geeignet sind, wie Polyvinylbutyral, Polyvinylformal usw. Polyvinylbutyral kann zum Beispiel dadurch gebildet werden, dass man Polyvinylalkohol mit einem Aldehyd (z.B. Butyraldehyd) umsetzt. Da diese Reaktion typischerweise unvollständig ist, weist das Polyvinylbutyral im Allgemeinen einen Restgehalt an Hydroxygruppen auf. Indem man diesen Gehalt minimiert, kann das Polymer jedoch einen geringeren Grad an starken polaren Gruppen besitzen, was ansonsten zu einem hohen Grad an Feuchtigkeitsadsorption und zur Migration von Silberionen führen würde. Zum Beispiel kann der Resthydroxygehalt in Polyvinylacetal etwa 35 Mol-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Mol-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 10 Mol-% bis etwa 25 Mol-% betragen. Ein kommerziell erhältliches Beispiel für ein solches Polymer ist von Sekisui Chemical Co., Ltd. unter der Bezeichnung „BH-S“ (Polyvinylbutyral) erhältlich.
Zur Bildung der Kathodenbeschichtung wird typischerweise eine leitfähige Paste so auf den Kondensator aufgetragen, dass sie den festen Elektrolyten bedeckt. In der Paste werden im Allgemeinen ein oder mehrere organische Lösungsmittel eingesetzt. Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von verschiedenen organischen Lösungsmitteln eingesetzt werden, wie Glycole (z.B. Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol und Dipropylenglycol), Glycolether (z.B. Methylglycolether, Ethylglycolether, und Isopropylglycolether), Ether (z.B. Diethylether und Tetrahydrofuran), Alkohole (z.B. Benzylalkohol, Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Triglyceride, Ketone (z.B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z.B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat und Methoxypropylacetat), Amide (z.B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Sulfoxide oder Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) usw. sowie Gemische davon. Das oder die organischen Lösungsmittel machen typischerweise etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 20 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 30 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% der Paste aus. Typischerweise machen die Metallteilchen etwa 10 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 20 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Paste aus, und die harzartige Matrix etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% der Paste aus.
Die Paste kann relativ niedrige Viskosität aufweisen, die ermöglicht, dass man sie leicht handhaben und auf ein Kondensatorelement auftragen kann. Die Viskosität kann zum Beispiel im Bereich von etwa 50 bis etwa 3000 Centipoise, in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 2000 Centipoise und in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis etwa 1000 Centipoise liegen, gemessen mit einem Brookfield-DV-1-Viskometer (Kegel und Platte), das mit einer Geschwindigkeit von 10 U/min und einer Temperatur von 25 °C arbeitet. Falls gewünscht, können Verdickungsmittel oder andere Viskositätsmodifikatoren in der Paste eingesetzt werden, um die Viskosität zu erhöhen oder zu senken. Weiterhin kann die Dicke der aufgetragenen Paste auch relativ gering sein und dennoch die gewünschten Eigenschaften erreichen. Zum Beispiel kann die Dicke der Paste etwa 0,01 bis etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 30 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 25 Mikrometer betragen. Einmal aufgetragen, kann die Metallpaste gegebenenfalls getrocknet werden, um bestimmte Komponenten, wie die organischen Lösungsmittel, zu entfernen. Zum Beispiel kann das Trocknen bei einer Temperatur von etwa 20 °C bis etwa 150 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 50 °C bis etwa 140 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 80 °C bis etwa 130 °C erfolgen.
G. Andere Komponenten
Falls gewünscht, kann der Kondensator auch weitere Schichten enthalten, wie in der Technik bekannt ist. In bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel kann sich zwischen dem festen Elektrolyten und der Silberschicht eine Kohlenstoffschicht (z.B. Graphit) befinden, die dabei helfen kann, den Kontakt der Silberschicht mit dem festen Elektrolyten weiter einzuschränken. Außerdem kann auch eine Vorbeschichtung eingesetzt werden, die das Dielektrikum bedeckt und eine metallorganische Verbindung, wie sie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist, umfasst.
II. Endteile
Sobald es gebildet ist, kann das Kondensatorelement mit Endteilen versehen werden, insbesondere wenn es in oberflächenmontierten Anwendungen eingesetzt wird. Zum Beispiel kann der Kondensator ein Anoden-Endteil, an das ein Anodenanschlussdraht des Kondensatorelements elektrisch angeschlossen wird, und ein Kathoden-Endteil, an das der feste Elektrolyt des Kondensatorelements elektrisch angeschlossen wird, enthalten. Jedes leitfähige Material kann eingesetzt werden, um die Endteile zu bilden, wie ein leitfähiges Metall (z.B. Kupfer, Nickel, Silber, Nickel, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium und Legierungen davon). Zu den besonders gut geeigneten leitfähigen Metallen gehören zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen (z.B. Kupfer-Zirconium, Kupfer-Magnesium, Kupfer-Zink oder Kupfer-Eisen), Nickel und Nickellegierungen (z.B. Nickel-Eisen). Die Dicke der Endteile ist im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter oder etwa 0,07 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Ein beispielhaftes leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus einer Kupfer-Eisen-Legierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich ist. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden beide Flächen der Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, während die Montagefläche auch mit einer Zinnlötschicht versehen wird.
Die Endteile können unter Verwendung einer beliebigen, in der Technik bekannten Methode mit dem Kondensatorelement verbunden werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Leiterrahmen bereitgestellt werden, der das Kathoden-Endteil und das Anoden-Endteil definiert. Um das Kondensatorelement an dem Leiterrahmen zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber zunächst auf eine Fläche des Kathoden-Endteils aufgetragen werden. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen umfassen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z.B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z.B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z.B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben. Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um den leitfähigen Kleber auf das Kathoden-Endteil aufzutragen. Aufgrund ihres praktischen und kostensparenden Nutzens können zum Beispiel Drucktechniken eingesetzt werden. Der Anodenanschluss kann auch mit Hilfe irgendeiner in der Technik bekannten Methode, wie mechanisches Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem Anoden-Endteil verbunden werden. Nach dem elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses mit dem Anoden-Endteil kann der leitfähige Kleber dann gehärtet werden, um zu gewährleisten, dass das Elektrolytkondensatorelement ausreichend stark an den Kathoden-Endteil geklebt wird.
III. Gehäuse
Das Kondensatorelement kann auf verschiedene Weise in ein Gehäuse eingebaut sein. In bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel kann das Kondensatorelement in einer Hülle eingeschlossen sein, die dann mit einem harzartigen Material, wie einem duroplastischen Harz (z.B. Epoxidharz), gefüllt werden kann, das dann unter Bildung eines gehärteten Gehäuses ausgehärtet werden kann. Das harzartige Material kann das Kondensatorelement so umgeben und einkapseln, dass wenigstens ein Teil des Anoden- und des Kathoden-Endteils zur Montage auf einer Leiterplatte exponiert sind. Wenn sie in dieser Weise eingekapselt sind, bilden das Kondensatorelement und das harzartige Material einen integralen Kondensator.
Selbstverständlich kann es in alternativen Ausführungsformen auch wünschenswert sein, das Kondensatorelement innerhalb eines Gehäuses einzuschließen, das separat und eigenständig bleibt. Auf diese Weise kann die Atmosphäre des Gehäuses gasförmig sein und wenigstens ein Inertgas enthalten, wie Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon usw. sowie Gemische davon. Typischerweise bilden Inertgase den größten Teil der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses, wie etwa 50 Gew.-% bis 100 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis 100 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% der Atmosphäre. Falls gewünscht, kann auch eine relativ kleine Menge an Nichtinertgasen eingesetzt werden, wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf usw. In solchen Fällen bilden die Nichtinertgase jedoch typischerweise 15 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen 10 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses.
Zur Bildung des Gehäuses kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden, wie Metalle, Kunststoffe, Keramik usw. In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse zum Beispiel eine oder mehrere Schichten aus einem Metall, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z.B. Edelstahl), Legierungen davon (z.B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z.B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse eine oder mehrere Schichten aus einem keramischen Material, wie Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Glas usw. sowie Kombinationen davon, umfassen.
Das Gehäuse kann jede beliebige Form haben, wie zylindrisch, D-förmig, rechteckig, dreieckig, prismatisch usw. In 1 ist zum Beispiel eine Ausführungsform eines Kondensators 100 gezeigt, die ein Gehäuse 122 und ein Kondensatorelement 120 enthält. In dieser besonderen Ausführungsform ist das Gehäuse 122 im Wesentlichen rechteckig. Typischerweise haben das Gehäuse und das Kondensatorelement dieselbe oder eine ähnliche Form, so dass das Kondensatorelement leicht im Innenraum untergebracht werden kann. In der gezeigten Ausführungsform zum Beispiel haben sowohl das Kondensatorelement 120 als auch das Gehäuse 122 eine im Wesentlichen rechteckige Form.
Falls gewünscht, kann die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung eine relativ hohe volumetrische Effizienz aufweisen. Um diese hohe Effizienz zu erleichtern, nimmt das Kondensatorelement typischerweise einen wesentlichen Teil des Volumens des Innenraums des Gehäuses ein. Zum Beispiel kann das Kondensatorelement etwa 30 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Vol.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Vol.-% bis etwa 98 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Vol.-% bis 97 Vol.-% des Innenraums des Gehäuses einnehmen. Zu diesem Zweck ist die Differenz zwischen den Abmessungen des Kondensatorelements und denjenigen des durch das Gehäuse definierten Innenraums typischerweise relativ gering.
Wenn wir uns zum Beispiel auf 1 beziehen, so kann das Kondensatorelement 120 eine Länge aufweisen (ausschließlich der Länge des Anodenanschlusses 6), die relativ ähnlich der Länge eines durch das Gehäuse 122 definierten Innenraums 126 ist. Zum Beispiel liegt das Verhältnis der Länge der Anode (in -y-Richtung) zur Länge des Innenraums im Bereich von etwa 0,40 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,50 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis 0,99 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,98. Das Kondensatorelement 120 kann eine Länge von etwa 5 bis etwa 10 Millimetern aufweisen, und der Innenraum 126 kann eine Länge von etwa 6 bis etwa 15 Millimetern aufweisen. Ähnlich kann das Verhältnis der Höhe des Kondensatorelements 120 (in -z-Richtung) zur Höhe des Innenraums 126 im Bereich von etwa 0,40 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,50 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis etwa 0,99 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,98 liegen. Das Verhältnis der Breite des Kondensatorelements 120 (in -x-Richtung) zur Breite des Innenraums 126 kann auch im Bereich von etwa 0,50 bis 1,00, in einigen Ausführungsformen etwa 0,60 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,70 bis etwa 0,99, in einigen Ausführungsformen etwa 0,80 bis etwa 0,98 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,85 bis etwa 0,95 liegen. Zum Beispiel kann die Breite des Kondensatorelements 120 etwa 2 bis etwa 10 Millimeter betragen, und die Breite des Innenraums 126 kann etwa 3 bis etwa 12 Millimeter betragen, und die Höhe des Kondensatorelements 120 kann etwa 0,5 bis etwa 2 Millimeter betragen, und die Breite des Innenraums 126 kann etwa 0,7 bis etwa 6 Millimeter betragen.
Obwohl es keineswegs erforderlich ist, kann das Kondensatorelement so an dem Gehäuse befestigt sein, dass außerhalb des Gehäuses ein Anoden-Endteil und ein Kathoden-Endteil für die anschließende Integration in eine Schaltung entstehen. Die besondere Konfiguration der Endteile kann von der geplanten Anwendung abhängen. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann der Kondensator so ausgebildet sein, dass er oberflächenmontierbar und dennoch mechanisch robust ist. Zum Beispiel kann der Anodenanschluss elektrisch an das äußere, oberflächenmontierbare Anoden- und Kathoden-Endteil (z.B. Felder, Bleche, Platten, Rahmen usw.) angeschlossen sein. Solche Endteile können sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken, um an den Kondensator angeschlossen zu sein. Die Dicke oder Höhe der Endteile wird im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter und etwa 0,1 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile galvanisch mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. überzogen sein, wie in der Technik bekannt ist, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer bestimmten Ausführungsform werden auf dem oder den Endteilen Nickel- bzw. Silberpunkte abgeschieden, und die Montageoberfläche wird ebenfalls mit einer Lötzinnschicht beschichtet. In einer anderen Ausführungsform werden auf dem oder den Endteilen dünne äußere Metallschichten (z.B. Gold) auf einer unedlen Metallschicht (z.B. Kupferlegierung) abgeschieden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen können Verbindungselemente innerhalb des Innenraums des Gehäuses eingesetzt werden, um die Verbindung mit den Endteilen in einer mechanisch stabilen Weise zu erleichtern. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 1 beziehen, so kann die Kondensatorbaugruppe 100 ein Verbindungselement 162 umfassen, das aus einem ersten Teil 167 und einem zweiten Teil 165 besteht. Das Verbindungselement 162 kann aus leitfähigen Materialien, wie Metall, bestehen. Der erste Teil 167 und der zweite Teil 165 können einstückig ausgebildet sein, oder es können separate Teile sein, die miteinander verbunden sind, entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall). In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der zweite Teil 165 in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung, in der sich der Anschluss 6 erstreckt (z. B. -y-Richtung), verläuft. Der erste Teil 167 ist in dem Sinne „hochstehend“, dass er sich in einer Ebene befindet, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung, in der sich der Anschluss 6 erstreckt, verläuft. Auf diese Weise kann der erste Teil 167 die Bewegung des Anschlusses 6 in der horizontalen Richtung einschränken, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität während der Verwendung zu verstärken. Falls gewünscht, kann ein isolierendes Material 7 (z. B. ein Teflon™-Ring) um den Anschluss 6 herum eingesetzt werden.
Der erste Teil 167 kann auch einen Montagebereich besitzen (nicht gezeigt), der mit einem Anodenanschluss 6 verbunden ist. Der Bereich kann eine „U-Form“ aufweisen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 6 weiter zu verstärken. Die Verbindung des Bereichs mit dem Anschluss 6 kann mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken bewerkstelligt werden, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird der Bereich zum Beispiel durch Laserschweißen an dem Anodenanschluss 6 befestigt. Unabhängig von der gewählten Technik kann der erste Teil 167 jedoch den Anodenanschluss 6 in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung halten, um die Maßhaltigkeit der Kondensatorbaugruppe 100 weiter zu verstärken.
Wenn wir uns wiederum auf 1 beziehen, so ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der das Verbindungselement 162 und das Kondensatorelement 120 mit dem Gehäuse 122 sowie einem Anoden- und einem Kathoden-Endteil 127 bzw. 129, die im Folgenden ausführlicher diskutiert werden, verbunden sind. Das Gehäuse 122 dieser Ausführungsform umfasst eine äußere Wand 123 und zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 124, zwischen denen ein Hohlraum 126 gebildet wird, der das Kondensatorelement 120 umfasst. Die äußere Wand 123 und die Seitenwände 124 können aus einer oder mehreren Schichten eines Metalls, Kunststoffs oder Keramikmaterials bestehen, wie es oben beschrieben ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Anoden-Endteil 127 einen inneren Bereich 127a, der sich innerhalb des Gehäuses 122 befindet und elektrisch mit dem Verbindungselement 162 verbunden ist, und einen äußeren Bereich 127b, der sich außerhalb des Gehäuses 122 befindet und für eine Montagefläche 201 sorgt, enthalten. Ähnlich kann das Kathoden-Endteil 129 einen inneren Bereich 129a, der sich innerhalb des Gehäuses 122 befindet und elektrisch mit dem festen Elektrolyten des Kondensatorelements 120 verbunden ist, und einen äußeren Bereich 129b, der sich außerhalb des Gehäuses 122 befindet und für eine Montagefläche 203 sorgt, enthalten. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass sich nicht der gesamte Teil innerhalb oder außerhalb des Gehäuses zu befinden braucht.
In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich eine leitfähige Bahn 127c in der Außenwand 123 des Gehäuses, um den inneren Teil (ersten Bereich) 127a und den äußeren Teil (zweiten Bereich) 127b miteinander zu verbinden. Ähnlich erstreckt sich eine leitfähige Bahn 129c in der Außenwand 123 des Gehäuses, um den inneren Teil (ersten Bereich) 127a und den äußeren Teil (zweiten Bereich) 127b miteinander zu verbinden. Die leitfähigen Bahnen und/oder Bereiche der Endteile können getrennt oder einstückig sein. Die Bahnen können sich nicht nur durch die Außenwand des Gehäuses erstrecken, sondern können sich auch an anderen Stellen befinden, wie außerhalb der Außenwand. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die Verwendung von leitfähigen Bahnen zur Bildung der gewünschten Endteile beschränkt.
Unabhängig von der besonderen eingesetzten Konfiguration kann die Verbindung der Endteile 127 und 129 mit dem Kondensatorelement 120 unter Verwendung jeder bekannten Technik erfolgen, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. In einer besonderen Ausführungsform wird zum Beispiel ein leitfähiger Kleber 131 verwendet, um den zweiten Teil 165 des Verbindungselements 162 mit dem Anoden-Endteil 127 zu verbinden. Ähnlich wird ein leitfähiger Kleber 133 verwendet, um die Kathode des Kondensatorelements 120 mit dem Kathoden-Endteil 129 zu verbinden.
Gegebenenfalls kann sich auch eine polymere Einspannung in Kontakt mit einer oder mehreren Flächen der Kondensatorelemente, wie der hinteren Fläche, vorderen Fläche, oberen Fläche, unteren Fläche, Seitenflächen oder irgendeiner Kombination davon befinden. Die polymere Einspannung kann die Wahrscheinlichkeit des Abblätterns des Kondensatorelements von dem Gehäuse reduzieren. In dieser Hinsicht besitzt die polymere Einspannung typischerweise ein bestimmtes Maß an Festigkeit, das es ihr ermöglicht, das Kondensatorelement in einer relativ fixierten Position zu halten, auch wenn es Schwingungskräften ausgesetzt ist, aber nicht so fest, dass es Risse bekommt. Die Einspannung kann zum Beispiel eine Zugfestigkeit von etwa 1 bis etwa 150 Megapascal („MPa“), in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 100 MPa, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 80 MPa und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 70 MPa besitzen, gemessen bei einer Temperatur von etwa 25°C. Es ist normalerweise wünschenswert, dass die Einspannung nicht elektrisch leitend ist. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 1 beziehen, so ist eine Ausführungsform gezeigt, in der sich eine einzige polymere Einspannung 197 in Kontakt mit einer oberen Fläche 181 und einer hinteren Fläche 177 des Kondensatorelements 120 befindet. Während in 1 eine einzelne Einspannung gezeigt ist, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch getrennte Einspannungen eingesetzt werden können, um dieselbe Funktion zu erfüllen. Tatsächlich können allgemeiner gesagt eine beliebige Zahl von polymeren Einspannungen eingesetzt werden und sich in Kontakt mit jeder gewünschten Fläche des Kondensatorelements befinden. Wenn mehrere Einspannungen eingesetzt werden, können sie miteinander in Kontakt stehen oder physisch getrennt bleiben. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine zweite polymere Einspannung (nicht gezeigt) eingesetzt werden, die mit der oberen Fläche 181 und der vorderen Fläche 179 des Kondensatorelements 120 in Kontakt steht. Die erste polymere Einspannung 197 und die zweite polymere Einspannung (nicht gezeigt) können in Kontakt miteinander stehen oder auch nicht. In noch einer anderen Ausführungsform kann eine polymere Einspannung auch mit einer unteren Fläche 183 und/oder einer oder mehreren Seitenflächen des Kondensatorelements 120 in Kontakt stehen, entweder in Verbindung mit oder anstelle von anderen Flächen.
Unabhängig davon, wie sie angebracht wird, ist es typischerweise wünschenswert, dass sich die polymere Einspannung auch in Kontakt mit wenigstens einer Fläche des Gehäuses befindet, um dazu beizutragen, das Kondensatorelement weiter gegenüber möglichem Abblättern mechanisch zu stabilisieren. Zum Beispiel kann sich die Einspannung in Kontakt mit einer Innenfläche einer oder mehrerer Seitenwände, der Außenwand, des Deckels usw. befinden. In 1 befindet sich die polymere Einspannung 197 zum Beispiel in Kontakt mit einer Innenfläche 107 der Seitenwand 124 und einer Innenfläche 109 der Außenwand 123. Während sie sich in Kontakt mit dem Gehäuse befindet, ist es dennoch wünschenswert, dass wenigstens ein Teil des durch das Gehäuse definierten Innenraums frei bleibt, damit das Inertgas durch den Innenraum strömen und den Kontakt des festen Elektrolyten mit Sauerstoff einschränken kann. Zum Beispiel bleiben typischerweise wenigstens etwa 5% des Innenraumvolumens frei von dem Kondensatorelement und der polymeren Einspannung, und in einigen Ausführungsformen sind es etwa 10% bis etwa 50% des Innenraumvolumens.
Sobald sie in der gewünschten Weise verbunden ist, wird die resultierende Packung hermetisch versiegelt. Wie zum Beispiel wiederum in 1 gezeigt ist, kann das Gehäuse 122 auch einen Deckel 125 umfassen, der auf einer oberen Fläche von Seitenwänden 124 platziert wird, nachdem das Kondensatorelement 120 und die polymere Einspannung 197 innerhalb des Gehäuses 122 positioniert sind. Der Deckel 125 kann aus Keramik, Metall (z. B. Eisen, Kupfer, Nickel, Cobalt usw. sowie Legierungen davon), Kunststoff usw. bestehen. Falls gewünscht, kann sich ein Versiegelungselement 187 zwischen dem Deckel 125 und den Seitenwänden 124 befinden, um zu einer guten Abdichtung beizutragen. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Versiegelungselement eine Glas-Metall-Versiegelung, einen Kovar^®-Ring (Goodfellow Cambridge, Ltd.) usw. umfassen. Die Höhe der Seitenwände 124 ist im Allgemeinen so, dass der Deckel 125 nicht mit einer Fläche des Kondensatorelements 120 in Kontakt kommt, so dass er nicht kontaminiert wird. Die polymere Einspannung 197 kann mit dem Deckel 125 in Kontakt stehen oder auch nicht. Wenn er in der gewünschten Position platziert ist, wird der Deckel 125 mit Hilfe von bekannten Techniken, wie Schweißen (z. B. Widerstandsschweißen, Laserschweißen usw.), Löten usw., hermetisch an den Seitenwänden 124 versiegelt. Das hermetische Versiegeln erfolgt im Allgemeinen in Gegenwart von Inertgasen, wie es oben beschrieben ist, so dass die resultierende Baugruppe im Wesentlichen frei von reaktiven Gasen, wie Sauerstoff oder Wasserdampf, ist.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft sind und dass in der vorliegenden Erfindung auch verschiedene andere Konfigurationen eingesetzt werden können, um ein Kondensatorelement und eine polymere Einspannung hermetisch innerhalb eines Gehäuses zu versiegeln. Wenn wir uns zum Beispiel auf 2 beziehen, so ist eine andere Ausführungsform einer Kondensatorbaugruppe 200 gezeigt, bei der ein Gehäuse 222 eingesetzt wird, das eine Außenwand 123 und einen Deckel 225 umfasst, zwischen denen ein Innenraum 126 entsteht, der das Kondensatorelement 120 und die polymere Einspannung 197 umfasst. Der Deckel 225 umfasst eine Außenwand 223, die mit wenigstens einer Seitenwand 224 einstückig ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind zum Beispiel zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 224 im Querschnitt gezeigt. Die Außenwände 223 und 123 erstrecken sich beide in einer seitlichen Richtung (-y-Richtung) und verlaufen im Wesentlichen parallel zu einander und zur seitlichen Richtung des Anodenanschlusses 6. Die Seitenwand 224 erstreckt sich von der Außenwand 223 ausgehend in einer Längsrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Außenwand 123 steht. Ein distales Ende 500 des Deckels 225 ist durch die Außenwand 223 definiert, und ein proximales Ende 501 ist durch eine Lippe 253 der Seitenwand 224 definiert.
Die Lippe 253 erstreckt sich von der Seitenwand 224 ausgehend in seitlicher Richtung, die im Wesentlichen parallel zur seitlichen Richtung der Außenwand 123 stehen kann. Der Winkel zwischen der Seitenwand 224 und der Lippe 253 kann variieren, beträgt aber typischerweise etwa 60° bis etwa 120°, in einigen Ausführungsformen etwa 70° bis etwa 110° und in einigen Ausführungsformen etwa 80° bis etwa 100° (z. B. etwa 90°). Die Lippe 253 definiert auch einen umlaufenden Rand 251, der im Wesentlichen senkrecht zur seitlichen Richtung, in der sich die Lippe 253 und die Außenwand 123 erstrecken, verlaufen kann. Der umlaufende Rand 251 befindet sich jenseits des äußeren Umfangs der Seitenwand 224 und kann im Wesentlichen koplanar zu einem Rand 151 der Außenwand 123 verlaufen. Die Lippe 253 kann mit Hilfe einer beliebigen bekannten Technik, wie Schweißen (z. B. Widerstands- oder Laserschweißen), Löten, Leim usw., an der Außenwand 123 versiegelt werden. Zum Beispiel wird in der gezeigten Ausführungsform ein Versiegelungselement 287 (z. B. Glas-Metall-Siegel, Kovar^®-Ring usw.) zwischen den Komponenten eingesetzt, um deren Befestigung zu erleichtern. Unabhängig davon kann die oben beschriebene Verwendung einer Lippe eine stabilere Verbindung zwischen den Komponenten ermöglichen und die Versiegelung und die mechanische Stabilität der Kondensatorbaugruppe verbessern.
In der vorliegenden Erfindung können noch andere mögliche Gehäusekonfigurationen eingesetzt werden. Zum Beispiel zeigt 3 eine Kondensatorbaugruppe 300 mit einer ähnlichen Gehäusekonfiguration wie in 2, außer dass Endstifte 327b bzw. 329b als externe Abschlüsse für die Anode bzw. Kathode eingesetzt werden. Insbesondere erstreckt sich der Endstift 327a durch eine in der Außenwand 323 gebildete Bahn 327c hindurch und wird mit Hilfe von bekannten Techniken (z. B. Schweißen) mit dem Anodenanschluss 6 verbunden. Ein zusätzlicher Abschnitt 327a kann eingesetzt werden, um den Stift 327b zu befestigen. Ebenso erstreckt sich der Endstift 329b durch eine in der Außenwand 323 gebildete Bahn 329c hindurch und wird über einen leitfähigen Kleber 133 mit der Kathode verbunden, wie es oben beschrieben ist.
Die in den 1-3 gezeigten Ausführungsformen werden hier in Verbindung mit einem einzigen Kondensatorelement diskutiert. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass auch mehrere Kondensatorelemente innerhalb eines Gehäuses hermetisch versiegelt sein können. Die mehreren Kondensatorelemente können unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken an dem Gehäuse befestigt werden. 4 zeigt zum Beispiel eine besondere Ausführungsform einer Kondensatorbaugruppe 400, die zwei Kondensatorelemente enthält und nun ausführlicher beschrieben wird. Insbesondere umfasst die Kondensatorbaugruppe 400 ein erstes Kondensatorelement 420a in elektrischer Verbindung mit einem zweiten Kondensatorelement 420b. In dieser Ausführungsform sind die Kondensatorelemente so ausgerichtet, dass sich ihre Hauptflächen in einer horizontalen Konfiguration befinden. Das heißt, eine Hauptfläche des Kondensatorelements 420a, die durch dessen Breite (-x-Richtung) und Länge (- y-Richtung) definiert ist, befindet sich angrenzend an eine entsprechende Hauptfläche des Kondensatorelements 420b. Die Hauptflächen sind also im Wesentlichen koplanar. Alternativ dazu können die Kondensatorelemente auch so angeordnet sein, dass ihre Hauptflächen nicht koplanar sind, sondern in einer bestimmten Richtung, wie der -z-Richtung oder der -x-Richtung, senkrecht aufeinander stehen. Selbstverständlich brauchen sich die Kondensatorelemente nicht in derselben Richtung zu erstrecken.
Die Kondensatorelemente 420a und 420b befinden sich innerhalb eines Gehäuses 422, das eine Außenwand 423 und Seitenwände 424 und 425 enthält, die zusammen einen Innenraum 426 definieren. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann ein Deckel eingesetzt werden, der die oberen Flächen der Seitenwände 424 und 425 bedeckt und die Baugruppe 400 versiegelt, wie es oben beschrieben ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine polymere Einspannung eingesetzt, die dazu beiträgt, die Schwingung der Kondensatorelemente einzudämmen. In 4 befinden sich zum Beispiel getrennte polymere Einspannungen 497a und 497b angrenzend an und in Kontakt mit den Kondensatorelementen 420a bzw. 420b. Die polymeren Einspannungen 497a und 497b können sich an einer Vielzahl verschiedener Orte befinden. Weiterhin kann eine der Einspannungen weggelassen werden, oder zusätzliche Einspannungen können eingesetzt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann es zum Beispiel wünschenswert sein, eine polymere Einspannung zwischen den Kondensatorelementen einzusetzen, um die mechanische Stabilität weiter zu verbessern.
Neben den Kondensatorelementen enthält die Kondensatorbaugruppe auch ein Anoden-Endteil, mit dem Anodenanschlüsse der jeweiligen Kondensatorelemente elektrisch verbunden sind, und ein Kathoden-Endteil, mit dem die Kathoden der jeweiligen Kondensatorelemente elektrisch verbunden sind. Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 4 beziehen, so sind die Kondensatorelemente gezeigt, wie sie parallel mit einem gemeinsamen Kathoden-Endteil 429 verbunden sind. In dieser besonderen Ausführungsform wird das Kathoden-Endteil 429 zunächst in einer Ebene bereitgestellt, die im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche der Kondensatorelemente verläuft, und kann mit leitfähigen Bahnen (nicht gezeigt) in elektrischem Kontakt stehen. Die Kondensatorbaugruppe 400 umfasst auch Verbindungselemente 427 und 527, die mit Anodenanschlüssen 407a bzw. 407b der Kondensatorelemente 420a und 420b verbunden sind. Insbesondere enthält das Verbindungselement 427 einen hochstehenden Teil 465 und einen planaren Teil 463, der mit einem Anoden-Endteil (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Ebenso enthält das Verbindungselement 527 einen hochstehenden Teil 565 und einen planaren Teil 563, der mit einem Anoden-Endteil (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Selbstverständlich sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch eine Vielzahl anderer Typen von Verbindungsmechanismen eingesetzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Testverfahren
Kapazität
Die Kapazität wurde unter Verwendung eines Präzisions-LCZ-Messgeräts Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur kann 23 °C ± 2 °C betragen.
Durchschlagsspannung
Die Durchschlagsspannung wurde mit einem Keithley 2400 SourceMeter bei einer Temperatur von 23 °C ± 2 °C gemessen. Ein einzelner Kondensator wird mit konstanter Stromstärke aufgeladen, die durch die folgende Gleichung bestimmt wird: $Stromst \ddot{a} rke (A) = Nennkapazit \ddot{a} t (F) \times dU / dt,$
wobei dU/dt für die Spannungssteigung steht, die typischerweise auf 10 V/s eingestellt wird. Während des Aufladens wird die Spannung gemessen, und wenn die angelegte Spannung um mehr als 10% abgenommen hat, wird der maximale erreichte Spannungswert als Durchschlagsspannung aufgezeichnet.
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur betrug 23 °C ± 2 °C.
Verlustfaktor
Der Verlustfaktor kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23 °C ± 2 °C betragen.
Leckstrom
Der Leckstrom kann mit einer Leckstrom-Testeinrichtung bei einer Temperatur von 23 °C ± 2 °C und bei der Nennspannung nach mindestens 60 Sekunden gemessen werden.
Test der Spannungsspitzen
Ein Test der Spannungsspitzen kann bei einer Temperatur von 85 °C ± 3 °C durchgeführt werden (10-25 Teile), und die Nennspannung wird mit 1,3 multipliziert (z.B. 45,5 V). Der in der Testschaltung verwendete Widerstand kann 33 Ohm betragen. Jeder Zyklus besteht aus 30 Sekunden Anlegen der Spannungsspitzen und dann eine Entladungszeit von 30 Sekunden. Die getesteten Proben werden vor dem Testen wenigstens 12 Stunden lang bei 125 °C getrocknet. Die Kapazität kann bei allen 1000-Puls-Zyklen bis zu 5000 Pulse nach der Erholungszeit gemessen werden.
Dicke des Dielektrikums
Die Dicke des Dielektrikums kann mit Hilfe einer Zeiss Sigma FESEM bei 20000-bis 50000-facher Vergrößerung gemessen werden. Die Proben können dadurch vorbereitet werden, dass man ein fertiges Teil in einer Ebene senkrecht zur längsten Abmessung des fertigen Teils schneidet. Eine Dickenmessung kann an Stellen durchgeführt werden, an denen der Schnitt in senkrechter Richtung durch die dielektrische Schicht erfolgte.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 40 000 µFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, auf eine Dichte von 5,3 g/cm³ gepresst und bei 1380 °C gesintert. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,60 × 3,65 × 0,72 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 40 °C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bis 76,0 Volt anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Die Presslinge wurden 10 Sekunden lang bei einer Temperatur von 30 °C in Wasser/Borsäure/Dinatriumtetraborat mit einer Leitfähigkeit von 2,0 mS bis 130 Volt erneut anodisiert, um eine auf der Außenseite aufgewachsene dickere Oxidschicht zu bilden. Nach der Anodisierung wurden vier Vorbeschichtungen aus metallorganischer Verbindung verwendet, die eine Lösung von (3-Aminopropyl)trimethoxysilan in Ethanol (1,0%) enthielten. Eine leitfähige Polymerbeschichtung wurde gebildet, indem man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-2-butansulfonsäure eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde zweimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 14-mal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Auf diese Weise wurden viele Teile (450) von Kondensatoren mit 47 µF/35 V hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Beispiel 2
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass eine andere leitfähige Polymerbeschichtung verwendet wurde. Das heißt, die leitfähige Polymerbeschichtung wurde dadurch gebildet, dass man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-2-butansulfonsäure eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 14-mal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Auf diese Weise wurden viele Teile (450) von Kondensatoren mit 47 µF/35 V hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Beispiel 3
Ein Tantalpulver mit 40 000 µFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, auf eine Dichte von 5,3 g/cm³ gepresst und bei 1410 °C gesintert. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,60 × 3,65 × 0,80 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 40 °C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bis 76,0 Volt anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Die Presslinge wurden 5 Sekunden lang bei einer Temperatur von 30 °C in Wasser/Borsäure/Dinatriumtetraborat mit einer Leitfähigkeit von 2,0 mS bis 150 Volt erneut anodisiert, um eine auf der Außenseite aufgewachsene dickere Oxidschicht zu bilden. Nach der Anodisierung wurden vier Vorbeschichtungen aus metallorganischer Verbindung verwendet, die eine Lösung von (3-Aminopropyl)trimethoxysilan in Ethanol (1,0%) enthielten. Eine leitfähige Polymerbeschichtung wurde gebildet, indem man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-2-butansulfonsäure eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde zweimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 14-mal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Auf diese Weise wurden viele Teile (450) von Kondensatoren mit 47 µF/35 V hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.
Beispiel 4
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 3 beschriebenen Weise gebildet, außer dass eine andere leitfähige Polymerbeschichtung verwendet wurde. Das heißt, die leitfähige Polymerbeschichtung wurde dadurch gebildet, dass man die Anoden in eine Lösung von Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-2-butansulfonsäure eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde sechsmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 15 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 14-mal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Auf diese Weise wurden viele Teile (450) von Kondensatoren mit 47 µF/35 V hergestellt und in ein Siliciumoxidharz eingebettet.

Der minimale, mittlere und maximale gemessene BDV-Wert und die mittlere Dicke des Dielektrikums sind in der folgenden Tabelle 1 dargelegt. Tabelle 1: BDV, Dicke des Dielektrikums und berechnete Festigkeit des Dielektrikums

	Minimale BDV [V]	Mittlere BDV [V]	Maximale BDV [V]	Mittlere Dicke des Dielektrikums [nm]	Festigkeit des Dielektrikums [V/nm]
Beispiel 1	68,4	70,4	72,5	113,1	0,60
Beispiel 2	68,3	69,8	72,4	112,9	0,60
Beispiel 3	69,9	76,3	85,7	113,3	0,62
Beispiel 4	74,2	77,7	80,7	113,2	0,66

Die Medianwerte der Ergebnisse der Kapazität innerhalb der Spannungsspitzentests sind in der folgenden Tabelle 2 dargelegt. Tabelle 2: Ergebnisse der Spannungsspitzentests

	Zyklen	Medianwert der Kapazität (µF)	Verhältnis der Kapazität nach dem Spannungsspitzentest zur Anfangskapazität
Beispiel 1	0	44,54	-
	1000	42,69	0,96
	2000	41,08	0,92
	3000	39,08	0,98
Beispiel 2	0	45,81	-
	1000	45,22	0,99
	2000	44,58	0,97
	3000	43,54	0,95
Beispiel 3	0	48,11	-
	1000	43,60	0,91
	2000	40,37	0,94
	3000	37,27	0,97
Beispiel 4	0	48,17	-
	1000	47,81	0,99
	2000	47,03	0,98
	3000	47,10	0,98

Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/945913 [0001]
US 62/947014 [0001]
WO 2014/199480 [0015]
US 6197252 [0019]
US 9718905 [0037]
US 2007/0064376 [0060]
US 2006/0038304 [0070]

Claims

Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, wobei das Kondensatorelement Folgendes umfasst: einen Anodenkörper, der Tantal enthält; ein Dielektrikum, das den Anodenkörper überdeckt; und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum überdeckt, wobei der feste Elektrolyt ein intrinsisch leitfähiges Polymer umfasst, das Thiophen-Repetiereinheiten enthält, wobei der Kondensator eine Festigkeit des Dielektrikums von etwa 0,6 Volt pro Nanometer oder mehr aufweist und wobei der Kondensator weiterhin eine Lade-Entlade-Kapazität, nachdem er 3000 Zyklen einer Spannungsspitze ausgesetzt war, und eine Anfangskapazität, bevor er der Spannungsspitze ausgesetzt war, aufweist, wobei das Verhältnis der Lade-Entlade-Kapazität zu der Anfangskapazität etwa 0,75 zu 1 beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das intrinsisch leitfähige Polymer Thiophen-Repetiereinheiten der folgenden Formel (I) enthält:
wobei R = (CH₂)_a-O-(CH₂)_b-L ist, wobei L eine Bindung oder HC([CH_2]cH) ist; a = 0 bis 10 beträgt; b = 1 bis 18 beträgt; c = 0 bis 10 beträgt; M ein Anion ist; und X ein Kation ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das intrinsisch leitfähige Polymer Thiophen-Repetiereinheiten der folgenden allgemeinen Formel (III) enthält:
wobei a = 0 bis 10 beträgt; b = 1 bis 18 beträgt; R₅ eine gegebenenfalls substituierte lineare oder verzweigte C₁-C₆-Alkylgruppe oder ein Halogenatom ist; und X ein Wasserstoffatom, ein Alkalimetall, NH(R¹)₃ oder HNC₅H₅ ist, wobei R¹ jeweils unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine gegebenenfalls substituierte C₁-C₆-Alkylgruppe ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 3, wobei a = 1 ist und b = 3 oder 4 ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 3, wobei R Methyl ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 3, wobei X ein Alkalimetall ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Thiophen-Repetiereinheiten aus Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)-methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-ethyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-propyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-butyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)-methoxy]-1-pentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-hexyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopropyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isobutyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-fluor-1-propansulfonat, Kalium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, 3-[(2,3-Dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonsäure, Ammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Triethylammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat usw. sowie Kombinationen davon gebildet sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Polymer eine spezifische Leitfähigkeit von etwa 20 S/cm oder mehr aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt wenigstens eine innere Schicht enthält, die das intrinsisch leitfähige Polymer umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 9, wobei die innere Schicht im Wesentlichen frei von einem extrinsisch leitfähigen Polymer ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt wenigstens eine äußere Schicht enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 11, wobei die äußere Schicht aus Teilchen besteht, die ein polymeres Gegenion und ein extrinsisch leitfähiges Polymer enthalten.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vorbeschichtung, die den Anodenkörper bedeckt, wobei die Vorbeschichtung aus einer metallorganischen Verbindung gebildet ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die metallorganische Verbindung ein monoaminfunktionelles Silan mit der folgenden allgemeinen Formel (II) ist:
wobei R₁, R₂ und R₃ unabhängig Alkyl, Alkenyl, Aryl, Heteroaryl, Cycloalkyl, Heterocyclyl, Halogen, Halogenalkyl oder Hydroxyalkyl sind; R₄ und R₅ unabhängig Wasserstoff, Alkyl, unabhängig Alkyl, Alkenyl, Aryl, Heteroaryl, Cycloalkyl, Heterocyclyl, Halogen, Halogenalkyl, Hydroxyalkyl sind, oder alternativ dazu N, R₄ und R₅ zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Atomen eine Ringstruktur bilden; und Z eine organische Gruppe ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 14, wobei das monoaminfunktionelle Silan ein primäres Amin ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 15, wobei es sich bei dem primären Amin um 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 4-Aminobutyltriethoxysilan, m-Aminophenyltrimethoxysilan, p-Aminophenyltrimethoxysilan, Aminophenyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltris(methoxyethoxy)silan, 11-Aminoundecyltriethoxysilan, 2(4-Pyridylethyl)triethoxysilan, 2-(Trimethoxysilylethyl)pyridin, N-(3-Trimethoxysilylpropyl)pyrrol, 3-(m-Aminophenoxypropyl)trimethoxysilan, Aminopropylsilantriol, 3-Aminopropylmethyldiethoxysilan, 3-Aminopropyldiisopropylethoxysilan, 3-Aminopropyldimethylethoxysilan oder eine Kombination davon handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 14, wobei das monoaminfunktionelle Silan ein sekundäres Amin ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 17, wobei es sich bei dem sekundären Amin um N-Butylaminopropyltrimethoxysilan, N-Ethylaminoisobutyltrimethoxysilan, n-Methylaminopropyltrimethoxysilan, N-Phenylaminopropyltrimethoxysilan, 3-(N-Allylamino)propyltrimethoxysilan, Cyclohexylaminomethyl)triethoxysilan, N-Cyclohexylaminopropyltrimethoxysilan, N-Ethylaminoisobutylmethyldiethoxysilan, (Phenylaminoethyl)-methyldiethoxysilan, N-Phenylaminomethytrimethoxysilan, N-Methylaminopropylmethyldimethoxysilan oder eine Kombination davon handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die metallorganische Verbindung ein diaminfunktionelles Silan mit der folgenden allgemeinen Formel (III) ist:
wobei R₁, R₂ und R₃ unabhängig Alkyl, Alkenyl, Aryl, Heteroaryl, Cycloalkyl, Heterocyclyl, Halogen, Halogenalkyl oder Hydroxyalkyl sind; und Z₁ und Z₂ unabhängig eine organische Gruppe sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 19, wobei es sich bei dem diaminfunktionelles Silan um N-(2-Aminoethyl)aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, N-(6-Aminohexyl)-aminomethyltriethoxysilan, N-(6-Aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-11-aminoundecyltrimethoxysilan), (Aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilan, N-3-[(Amino(polypropylenoxy)]aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylsilantriol, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminoisobutylmethyldimethoxysilan, (Aminoethylamino)-3-isobutyldimethylmethoxysilan oder eine Kombination davon handelt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine externe Polymerbeschichtung, die den festen Elektrolyten bedeckt und leitfähige Polymerteilchen enthält.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 21, wobei das externe Polymer weiterhin ein Vernetzungsmittel umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper ein gesintertes Pellet ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Gehäuse, in dem das Kondensatorelement eingeschlossen ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Kondensatorelement weiterhin eine Kathodenbeschichtung umfasst, die eine Metallteilchenschicht enthält und den festen Elektrolyten bedeckt, wobei die Metallteilchenschicht eine Vielzahl von leitfähigen Metallteilchen umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator eine Durchschlagsspannung von etwa 55 Volt oder mehr aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Dielektrikum eine Dicke von etwa 60 Nanometer oder mehr aufweist.