DE1764664A1 - Kondensator mit Ionen leitendem keramischem Elektrolyt - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt 6 Frankfurt/ Main 1 Taunusstr. 20 Postfach 3011 ^{u m m}

868~36-69D-3O19~Wlnn

General Electric Company, 1 River Road, Schaneetady, N.Y./USA Kondensator mit Ionen leitendem keramischem Elektrolyt

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kondensatoren, insbesondere auf Kondensatoren mit zwei Elektroden, die mit einer dielektrischen Schicht versehen sind, und einem Ionen leitenden keramischen Stoff zwischen den Elektroden.

Elektrolyt-Kondensatoren weisen normalerweise nassen Elektrolyt als Elektronenbarriere auf; der nasse Elektrolyt kann flüssig oder halbfest, beispielsweise ein OeI oder eine Paste, sein. Die Verwendung nasser Elektrolyte bringt eine Anzahl erheblicher Schwierigkelten mit sich, und zwar nicht nur Schwierigkeiten mechanischer oder physikalischer Art im Hinblick auf Handhabung, Lagerung, Zusammenbau, Abdichtung und Haltbarkelt des Kondensators, sondern auch Schwierigkeiten elektrischer und chemischer Natur,

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beispielsweise im H:iribX5.ok auf die Wahl ater StCfTs₁ die mit nassen Elektrolyten wirksam und ver-cr&Gllch sind, in vielen Fällen wird die weiter» Verbreitung und fentenäung von Elektrolyt-Kondensatoren durch die oben aufgezeigten Schwierigkeiten begrenzt. Der nass« Elektrolyt ist jedoch sur wirksamen Ionenleitung erforderlich, die für den Betrieb des Kondensators erwünscht ist. Trockene Elektrolyte sind normalerweise keine Ionen leitende Materialien oder sis sind für einen optimalen Betrieb des Elektrolyt-Kondensators nicht ausreichend Ionen leitend.

Erfindungagemäß wird sin verbesserter Kondensator "vorgeschlagen, dessen Elektrolyt aus einem Ionen leitenden, keramischen Stoff besteht. Ionen leitende Stoffe können durch Spesialbehandlungen, beispielsweise durch Zugabe von oder Behandlung mit Alkalimetallen wie Natrium, Kalium, Lithium und anderen Metallen dieser Klasse, so abgewandelt werden, d&ft die Ionenieltf&hlgkeltseigenschaften erhöht werden und andere Pornen der Leitfähigkeit unterdrückt werden. Insbesondere wurde gefunden, daß Beta-Tonerdekeraniik (beta alumina ceramic), bei der die Leitung vorwiegend durch die Bewegung der Natriumionen erfolgt, ein wirkungsvoller Trockenelektrolyt für Kondensatoren ist.

Bei einer bevorzugten AusfOhrungsfore nach der Erfindung wird Beta-Tonerdekerarolk als Elektrolyt zwischen einem Elektrodenpaar

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benutst. Dar Elektrolytkondensator weist außerdem eine dielektrische Sperrschicht zwischen den Elektroden auf,. Die Bäta-Tonerdskeramlk kann durch Sugaba von Natrium und anschließendes Sintern abgewänne it werden, so öaA die Leitfähigkeit der Natriumionen vorbessert wird. Die dielektrische Sperre diieht kann mit der Gegenelektrode der beiden Elektroden verbunden sein oder mit dem keramischen Stoff &.us einem Stück bestehen. Sie kann auch als getrennte Schicht aus geeignetem Werkstoff ausgeführt sein, die an der Keramik oder den Elektroden befestigt wird oder einen Bestandteil derselben bildet.

Nachstehend »oli die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben werden;

Figur 1 zeigt einen Kondensator gemäß der Erfindung'*

Figur 2 zeigt eine nicht-polare Abwandlung des erflndungsgemäften Kondensators;

Figur 3 zeigt einen kernartigen Kondensator gemäß der Erfindung;

Figur k zeigt eine Endansicht der Figur 3 im Schnitt;

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Figur 5 zeigt einen abgewandelten Aufbau des Kondensators nach Figur ¹J;

Figur 6 1st eine abgewandelte Form des nicht-polaren Aufbaues nach Figur 2.

Figur 1 zeigt einen Kondensator 10 mit einer Anode 11, einer davon in Abstand angebrachten Gegenelektrode 12 und den entsprechenden Zuleitungen 13 und 14. Zwischen den Elektroden 11 und 12 1st ein Elektrolyt Ip aus Ionen leitendem, keramischem Werkstoff und eine Sperrschicht 16, die die Elektroden 11 und 12 physikalisch trennt, angeordnet. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der Elektrolyt 15 und die Sperrschicht 16 Ober eine vorgegebene, erhebliche Strecke Im gleichen Abstand eu den Elektroden angeordnet.

In dem AusfOhrungsbeispiel nach Figur 1 ist die Elektrode 11 als Anode bezeichnet, und iaher 1st die dielektrische Sperrschicht 16 zwischen der Elektrode 11 und dem keramischen Elektrolyt 15 angeordnet. Die Arbeitsweise des beschriebenen Kondensators 10 ähnelt der allgemein bekannten Arbeitsweise von Elektrolytkondensatoren. Wenn der Kondensator 10 beispielsweise an eine Stromquelle angeschlossen wird, wandern Elektronen von der Gegenelektrode 12 in die angrenzende Oberfläche des keramischen

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Elektrolyts 15. Die Ionen In dem keramischen Elektrolyt 15 bewegen sich unter dem Einfluß der Elektronenoberflächenladung frei und bilden eine ähnliche wirksame Ladung auf der gegenüberliegenden Oberfläche. Diese übertragene Ladung besteht aus Ionenleerstellen statt aus Elektronen, so daft eine OberfT.ächenladung erzeugt wird, die frei von der schädlichen Wirkung freier OberflÄchenelektronen ist> die die dielektrische Sperrschicht leichter durchdringen würden. Die Ansammlung von Ionenleerstellen auf der neben der dielektrischen Sperrschicht liegenden Oberfläche des keramischen Elektrolyts stellt die in dem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung dar.

Der oben beschriebene Vorgang beinhaltet das Wandern der Ionen in dem trockenen keramischen Elektrolyt. Ein bevorzugter trockener, keramischer Elektrolyt ist eine Tonerdekeramik, die wirksam so abgewandelt wurde, daß sie unter normalen Kondensatoreinsatzbedingungen ein Ionen leitendes Medium ist. Genauer gesagt, besteht eine bevorzugte Tonerdekeramik aus einer Beta-Tonerdekeramik, die Natrium enthält und beispielsweise durch Sintern so behandelt werden kann, das die Beweglichkeit der Natriuntlonen erhöht wird.

Beta-Tonerde ist ein Hatriimalumlnat der allgemeinen Formel O-j, das manchmal auch als Ma₂O . 6Al₃O^ dargestellt

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wird; der Aufbau dieses Stoffes 1st In Z. Krlst, 97» 1937, S. 59, von CA. Beavers, M.A.S. Ross näher beschrieben. Um Beta-Tcnerde herzustellen, werden die gewünschten Mengen Aluminiumoxid und Natriumverbindungen Susannen geschmolzen; sie bilden dann einen schichtartigen Aufbau mit einer Dichte, die ungefahrt 20 % unter der von Alpha-Tonerde Hegt; auf diese Welse sind ausgedehnte Leerstellen für die Ionenbeweglichkeit vorhanden. Obwohl dl· Ionenleitungselgenschaften dl···· Stoffes bei den normalen Betriebstemperaturen von Elektrolytkondensatoren, d.h. unter ungefähr 150° C, verhältnismäßig gering sein kennen, liegt die LeItffihigkelt nicht unter der verschiedener anderer Elektrolytkondeneatoren, sie kann sogar weiter erhöht werden. Erflndungsgemfft ken* nen auch andere tonen leitende Stoffe ähnlichen Aufbaus verwendet werden, beispielsweise mit Alkalimetall modifleierte Tonerde-Magnetbleikeramlkarten (alumina nagnetoplunbite ceramlos) und Röhrenmetalloxldkeramlkarten ( valve netal oxid· ceramics). 01· Ionenleitungseigensohaften dieser Stoffe können beispielsweise iurch Erhitzen, Sintern und Dotieren alt anderen Materialien oder durch ander« Modifizierungsverfahren verbessert werden.

Die dielektrisch· Sperrschicht 16 nach Figur 1 kann Ale gesondert« Schicht auf der Keramik 15 oder der Elektrode Ii aufgebracht sein. Dl· Schicht 16 kann beiopielsweise eim» Oxidschicht sein, die elektrolytisch oder chemisch auf eine Elektrode ii aus Röhre time tall (valve metal) aufgebracht wird; Die kann aber auch

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beispielsweise als Silisiumdioxidschieht, Bariumtitanatschlcht oder eine Schicht anderer bekannte.? Dielektrika, die für Konctensa toren geeignet sind, abgelagert werden.

Wahlweis» kann die dielektrische Sperrschicht ΐβ auch als Schicht oder Zone des keramischen Materials 15 ausgebildet sein. Ein Teil der Oberflächenschicht dar Keramik 15 kann beispielsweise so behandelt werden, daß das Natrium entfernt wird, so daß eine dielektrisch© Barriere oder Sperrschicht entsteht. Dies kann durch Erhitzen oder Sintern, chemisches Auslaugen oder andere steuerbare Verfahren geschehen, wobei Spannungsgradienten gebildet werden können, um die Ionen aus der gewünschten Schicht zu entfernen. Falls gewünscht, kann die Sperrschicht sowohl in einem Teil der Keramik 15 als auch durch Ablagerung auf dem Teil der Keramik oder der benachbarten Elektrode vorgesehen werden. Wenn nur eine Sperrschicht 16 vorgesehen wird, wird der Kondensator als polar bezeichnet. Wenn Sperrschichten 16 zwischen den beiden Elektroden und C&v Keramik 15 vorgesehen werden, wird der Kondensator als nichtpolar bezeichnet.

Figur 2 zeigt eine nichtpolare Ausführung 17 des Kondensators nach Figur 1. In Figur 2 elnd die Elektroden 11 und 12 durch eine Keramik 18 getrennt. Die Kerandk 13 weist zwei Schichten und Ii)' aub Bet~t-Tone«leV:ejraffrtk auf, eile dqrch eine dielektrische

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Barriere oder Sperrschicht 16 getrennt sind. Bei einer nichtpolaren Ausbildung können die Zuleitungen 13 und 1*1 entweder mit dem positiven oder dem negativen Pol einer Stromversorgung verbunden werden. Die Elektronen wandern dann aus einer der Elektroden heraus in die Oberflache der Zonen leitenden Beta-Tonerdekeramik hinein und führen dazu, daß Natriumionen wandern und eine entsprechende Oberflächenladung auf der gegenüberliegenden oder dielektrischen Seite der Keramik ausbilden.

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Um guten elektrischen Kontakt zwischen einer Elektrode und der benachbarten Beta-Tonerdekeramik zu gewährleisten, Insbesondere zwischen der Sperrschicht und der benachbarten Elektrode, kann gut leitende Keramik oder..ein Oxid, beispielsweise MnO₂, wie es bei Elektrolytkondensatoren üblich 1st, auf der Sperrschicht abgelagert werden, und die Elektrode wird dann mit der leitenden MnOg-Sohlcht verbunden. SIn Beispiel tür die Anwendung von MnO₂ Und von Elektroden, auf denen Material abgelagert 1st, wird in der U.S.-Patentschrift 3.302.073 - Erfinder Broodo - beschrieben. ^%

Figur 3 selgt einen Elektrolytkondensator 19 mit einem porOsen Anodenkern. In Figur 3 ist ein Anodenkern 20 aus Beta-Tonerdekeramik teilweise von einer Gegenelektrode 21 umgeben. Elektrische Zuleitungen 22 und 23 führen zu der Anode 20 beziehungsweise der Gegenelektrode 21. 3ur näheren Erläuterung äee Kortdensatoraufbaus

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sei B.v£ dien in Figur U gsiSöigkeri Querschnitt verwieösn. Dar in Figur ¹J ge κ©igte keramische Korpe:? 20 aus Beta-Tofisr-ae wird ehemiseh so behandelt, daft am R&nä der Porar» unct anderer freiliegender Stellen eine nichtleitende Sperrschicht 2*1 entsteht, Wahlweise odei* zusätzlich zu dieser Sperrschicht kann als Schicht 2*1 ein elektrisch nichtleitender Stoff, beispielsweise 3arium· titanat, auf und in dem Keramikkörper- 20 abgelagert und an Ort und Stelle gebrannt warden. Dann wird die Gegenelektrode 21 mit der Schiebt 2*J verbunden. Die Gegenelektrode 2i wird sehneil mit dem Körper 20 durch einfaches Eintauchen des Körpers 20 in ein geschmolzenes Metallbad verbunden; falls erwünscht, kann eine Vakuumimprägnierung durchgeführt werden, um ®inen Elektrodenüberzug au erhalten. DIs Gegenelektrode 21 kann auch hergestellt werden, indem beispielsweise Graphit, Vin0_o oder Beta-Tonerdekeramik in den Poran des Körpers 20 abgelagert wird.

Figur 5 zeigt eine abgewandelte Ausführung dee Kondensators nach Figur 4. In Figur 5 besteht der Körper 26 aus porösem, gesintertem Röhrenmetall (valve-matal), auf das ein Oxidüberzug aufgebracht 1st, wie es beispielsweise in der U.S.-Patentschrift 3.255.390 - Erfinder Ruscatta - beschrieben ist. Der Körper 26 ist mit einem Ionen leitenden, keramischen Stoff Imprägniert, so daß ein Oberzug 27 auf den inneren und äußeren Oberflächen dee Körpers 26 gebildet wird. Die Schicht des kerar.tisrthfm Materials

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dient in diesem Fall als Elektrolyt und als Unterlage für eine Schicht, die als Gegenelektrode dient.

Figur 6 zeigt eine weitere Modifikation der Erfindung, die auf den in Figur 2 und 5 beschriebenen Prinzipien beruht. Figur 6 zeigt einen Kondensator 29» der zwei Elektroden Ii und 12, sowie eine dazwischen liegende Anordnung 30 aufweist. Die Anordnung besteht aus zwei siit Abstand angeordneten keramischen Elektrolyts teilen 15 und 15*, zwischen denen eine Schicht 31 aus Röhrenraatall angeordnet ist. Die Schicht 31 ist oxidiert> so dad zwei einander· gegenüberliegende dielektrisch^ Sperrschichten 32 und 33 entstehen, die den keramischen Teilen 15 und 15' benachbart sind. Die KOhrenmetallstruktur 31 kann ebenso wie jede andere Elektrode aus im Elektrolytkondensatorbau bekannten Röhrenaetalien hergestellt werden, beispielsweise aus Tantal, Aluminium, Zirkon und Niob.

Die Erfindung beinhaltet die Verwendung eines Zonen leitenden, keramischen Stoffes, insbesondere Beta-Tonerdekeramik, als Zonen leitender Elektrolyt in einen Kondensator. Der Stoff kann susätzlich zu den oben beschriebenen für verschiedene andere AusfUhrungsformen abgewandelt werden und in Verbindung alt anderen Kondensatorteilen oder ala deren Bestandteil verwendet werden» wobei das Imprägnieren durch nasse Elektrolyse einbegriffen sein »oll. ·';■*>

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Claims (1)

1. Kojißo:iifä&-.<;or mit sineir. ait Α'ετόε.ηά &P;, tfr.nsr diilektrischon. Sper--;^:;:^!chioh** und eins;? den Eloktyod^n angeordneten ker^raiE-ob dadurch s c■■ k e π η a e i c h η e -i , daB

   die lf,m?ar,iischa Sohißht. (15) bei der Befcrisbjii^ Giis Kondensai.ors C^O) überwiegend Ionen lei.fcfmd isfc

   2} Kondensate*!» nauh Anspruch I₉ dadurch ge ken n ieiebne t , daß der keramiache S^oi'f {15) &in solcher &uß der Grup-pa d®;r nife Alkalimetall modifisisrt^n Tonerdeker-aroikarten» Magnefcbleikeramikcrton und Roh::«en.metalloxid-

   !afc.

   3) Kondensator nach Anspruch 1 und/odar 2, <ä ?. d u r c h gekennzeichnet, daß der keramioeLii Stoff aine Ionen leitende Beta-Tonerdekeramik i3t.

   H) Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionen leitende Be^a-Tonerdskeramik Kationen leitend ist und im allgemeinen der Formel Na~0 * llAlgO, entspracht.

   5) Kondensator nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Sperrschicht zwischen wenigstens *iner Elektrode (Ix₉IS) und

   fc«j*.n&«iiitin Eliilrtrolvi"· iV>) «ine Schieb>·, aua rjichtlei 10984 1/OA62

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   Material aufweist

   6) Kondensator n&ch dsn Ansprüchen 1-5 ^dadurch gekennzeichnet , daß die nichtleitende Schicht ein Oxidüberzug auf wenigstens einer dieser Elektroden ist»

   7) Kondensator nach dtn Ansprüchen 1 - H _f d a d u r ο h ge kennzeichnet, daß die dielektrische Sperrschicht eine Schicht $*<, keramischen Elektrolyts umfaßt, die praktisch nichtleitend gemacht ist,

   8) Kondensator nach den Ansprüchen !-!»-,dadurch g e -kennzei ebnet , daß die keramische und die dielektrische Schicht eine zusammengesetzte Anordnung darstellen, welche äußere Sndabschnitte aus Beta-Tonerdekeramik, die mit ά<$α Elektroden in Verbindung stehen» und eine dielektrische Zwischenschicht, aufweist, die mit den Endabschnitten in Verbindung steht.

   9) Kondensator nach Anspruch 8 ,dadurch «»kennzeichnet , daß die dielektrische Schicht «ine Röhrenmetalloxldschicht auf einem RÖhrenmetallabachnitt ist.

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   10"» Kornartiges» Konäöiufjator, (te? eine Kombination folgender Merkmale aufweist;

   a) einen gesinterten, porösen Körper, ß&v einen Ionen leitenden kereiaisehen Stoff aufweist;

   b) eine dielektrisch© Schicht auf den Oberflächen des Körpers nach a):

   ö) eine Gegenelektrode, die mit einem großen Teil der dielektrischen Sohioht in Verbindung steht und den Körper nach a) wenigstens teilweise umschließt j und

   d) elektrische Verbindungen mit den Elektroden»

   11) Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper aus dem keramischen Stoff gebildet iat.

   12) Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper aus Röhrenmetall besteht, das mit dem keramischen Stoff imprägniert ist, und der dielektrische Stoff ein Röhrenmetalloxid ist ο

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   13) Kondensator nach den Ansprachen 10 - 12 , dadurch gekennseiehnet , da* der keramische Stoff eine Ionen leitende Beta-Tonerdekeramik ist.

   14) Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß er die in der Beschreibung und in den vorstehenden Ansprüchen aufgeführten Merkmale aufweist.

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