DE1804011A1 - Elektrolytkondensator und Elektrolyt - Google Patents

Description

• Elektrolytkondensator und Elektrolyt Die Erfindung bezieht sich auf Elektrolytkondensatorer. und insbesondere auf einen verbesserten Füllelektrolyten hierfür, der bei hohen Temperaturen wirksam und zuverlässig arbeitet.
• Iit der Entwicklung elektrischer Geräte, die für eine Verwendung in Umgebun£en mit laufend steigender Temperatur bestimmt sind, ist ein gesteigerter Bedarf an elektrischen Bauelementen einschließlich Kondensatoren entstanden, die bei erhuhten Tempeaturen von beispielsweise etwa 1250C oder mehr betriebssicher arbeiten können.
• Obleich die Arbeits- oder Einfü.llelektrolyten der Kondensatoren, d.e die üblichen ltmmoniumsalze wie beispielsweise Formiate, Borate ) r,2etate und dergl. enthalten, sich in der Vergangenheit für einen Betrieb bei niedrigen Temperaturen als zufriedenstellend herausgestellt haben, ist gefunden worden, daß diese Elektrolyten thermisch instabil sind, und daR viele von ihnen bereits bei Temperaturen von 850c Ammoniak zu verlieren beginnen. Bei dieser und höheren Temperaturen wird innerhalb des Kondensators ein übermäßiger Innendruck aufgebaut, es teht Elektrolyt aus dem Kondensator verloren und die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verschlechtern sich schnell.
• Somit sind Kondensatoren mit diesen Elektrolyten für eine Verwendung ungeeignet und können die Forderungen an die Bauelemente in den oben beschriebenen Umgebungen mit hohen Temperaturen nicht erfüllen.
• Kurz gesagt, bezieht sich diese Erfindung auf einen Ele'.;trolytkondensator mit einem Elektrodenpaar, von dem mindestens eine Elektrode aus einen filmbildenden Metall besteht, und einem Elektrolyten, der ein Ammoniumsalz, ein Lösungsmittel (nicht wässrig oder halbwässrig) und Tetra-methyl-guaniain enthält.
• Ein derartiger Kondensator ist bei Temperaturen von etwa 125 0C oder höher thermisch stabil.
• Die Lösungsmittelmischung kann durch den Zusatz anderer aterialien wie z.B. später beschriebener organischer Bestandteile modifiziert werden, um die Eigenschaften des Elektrolyten in gewünschter Weise zu verändern.
• Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert: Fig. 1 zeigt einen gewickelten Teil eines Elektrolytkondensators, auf den die Erfindung anwendbar ist.
• Fig. 2 zeigt eine Kondensatoranordnung, mit dem Kondensatorteil nach Fig. 1, das in ein Gehäuse eingeschlossen und in eine Elektrolytflüssigkeit nacla dieser Erfindung eingetaucht ist.
• In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein teilweise abgerollter Kondensatoricelteil mit üblichem Aufbau gezeigt. Dieses enthalt ein Paar Elektrodenfolien 1 und 2, von denen mindestens einer aus TantaL, Aluminium oder einem anderen geeigneten filmbildenden metall hergestellt ist, das vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise Xeïtzt ist und das einen dielektrischen Oxidfilm darauf besitzt. Bein Betrieb des Kondensators besitzen die Folien entgegengesetzte Polarität.
• Der dielektrische Oxidfilm kann durch filmbildende Verfahren (gewöhnlich eloxierende Verfahren) hergestellt sein, die in der Technik der Elektrolytkondensatoren allgemein bekannt sind.
• Zwischen den Folien 1 und 2 sind ein oder mehrere Blätter aus dielektrischem Abstandmaterial 3,4,5 und 6 angeordnet, die beispielsweise aus einem zelluloseartigen material einschließlich Papier aus Pflanzenfaser, wie z.B. Benares-jlanf oder einem anderen geeigneten {material einschlieGlich Kunstharzen permeabler oder poröser tränkbarer Art gebildet sind. Die Endanschlüsse oder Anzapfungsstreifen 8 und 9 sind an den entsprechenden Elektrodenfolien befestigt und erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen. Bevor die Elektroden und die dielektrischen Blätter in ein Gehäuse 10 eingesetzt werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, werden sie zu einer kompakten Rolle 7 gewickelt.
• Fig. 2 zeigt die in dem V1etallgehäuse 10 eingeschlossene Kondensatorrolle 7 mit Anschlüssen 8 und 9, die durch eine Dichtung hindurchgefUhrt sind. Diese besteht in einer For aus Stopfen 11 und 12, die aus einem Isoliermaterial.wle z.b. ounstharz hergestellt sind. Jeder Isolierstopfen 11 und 12 enthält einen federnden O-Rin£ 13 und 14, der in einer Nut auf den Umfang des Stopfens angeordnet ist und durch das Gehäuse iD zusammengepreßt ist, so daß dadurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung für den Innenraum des Gehäuses geschaffen ist. Der Elektrolyt 15, der eine neuartige, im folgenden noch näher zu beschreibende Zusammensetzung besitzt, füllt das Gehause 10 im wesentlichen aus und trnkt das poröse Abstandsmaterial.
• Bei einer gepolten Kondensatorart eist nur eine der Elektrodenfolien, nämlich die Anode, einen anodischen dielektrischen Oxidfilm auf. Bei einem nicht gepolten Kondensat.or enthalten beide Elektrodenfolien derartige Filme.
• Anstelle der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung, in denen die Rolle 7 durch gewickelte Kathoden- und Anodenfolien gebil-.
• det ist, kann der Kondensatorwickel auch nur von einer Elektrodenfolie (Anode) mit einem darauf befindlichen dielektrischen Film gebildet sein, wobei das äußere Gehäuse als Kathode eingesetzt wird. In einer derartigen Anordnung ist das Gehäuse typischerweise aus Silber oder einem anderen derartigen iletall hergestellt, das die gewünschte elektrische LeitfG keit und ebenso die nichtreaktionsfähigen Eigenschaften besitzt.
• Obwohl ein Elektrolytkondensator mit gerollten Folien gezeigt ist, können auch andere Elektrolytkondensatorarten mit flüssigen Elektrolyten wie z.B. solche mit poröser Anode, einem Draht oder andere bekannte Kondensatorarten die Erfindung beinhalten, um ähnliche Vorteile zu erzielen.
• Der erfindungsgemäße Elektrolyt enthält in der Hauptsache eine Mischung e-ines Lösungsmittels mit einem darin gelösten Ionenbilder, der im wesentlichen aus einem Ammoniumsalz und Tetramethyl-guanidin zusammengesetzt ist. Es ist festgestellt orden, daß der Zusatz von Tetra-methyl-guanidin einen Füllelektrolyten für Elektrolytkondensatoren bildet, der bei relativ hohen Temperaturen, beispielsweise 125 0C und höhere für langer Betriebszeiten thermisch und elektrisch stabilerist als die bekannten Elektrolytkondensatoren.
• Tetra-methyl-guanidin, das im folgenden kurz mit TMG bezeichnet wird, ist kommerziell u.a. von der American Cyanamid Company erhältlich. Es ist eine farblose Flüssigkeit mit einem Siedepunkt bei 1GOOC und einem plI-Wert von 12,7 in einer 1%eigen wässrigen Lösung. TMG ist in Wasser und üblichen organischen Lösungsmitteln löslich und bildet sehr stabile Salze. TMG ist eine sehr starke Base, stärker als Ammoniak, und kann in einer Lösung Ammoniak aus einem Ammoniumsalz verdrängen, in dem einfach TMG zu der Mischung zugesetzt und dann erhitzt wird.
• Die chemische Strukturformel von TMG lautet: Untersuchungen haben ergeben, daß die thermische und elektrische Stabilität des Elektrolyten bei Temperaturen von etwa 850C bis 125°C oder höher stark verbessert ist, wenn TMG in einem Elektrolyten mit einem Ammoniumsalz-Lösungsmittel verwendet wird, um selbst einen geringen Teil des Ammoniaks in einem Ammoniumsalz zu verdrängen. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Druck innerhalb des Kondensators bei erhöhten Temperaturen geringer ist, als wenn TMG in dem Elektrolyten nicht verwendet würde und dadurch trägt es dazu bei, daß der Elektrolyt für eine längere Zeit in dem Kondensator festgehalten wird. Wie bereits oben erwähnt worden ist, sind Elektrolyte mit Ammoniumsalz-Lösungsmittel ohne TMG bereits bei so niedrigen Temperaturn wie etwa 850C thermisch instabil, Ammoniak geht verloren, innerhalb des Kondensators baut sich ein Druck auf und es geht Elektrolyt verloren. Alle diese Erscheinungen tragen zur Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Kondensators bei.
• Obwohl die Erfindung Mischungen von Ammoniumsalz-Lösungsmitteln und TMG in allen Verhältnissen beinhaltet, sind besonders zuiriedenstellende Ergenisse erhalten worden, wenn TMG 10 bis 50 Gewichtsprozent des Ammoniumsalzes ausmacht.
• Der in der Elektrolytmischung verwendete Ammoniumsalzbestandteil liegt im allgemeinen in geringen Mengen vor und üblicherweise wird hiervon eine ausreichende Menge benutzt, um eine adäquat neständigkeit des Elektrolyten-für die beim Betrieb des Kondensators angelegte Spannung zu erzielen. Beispiele für geeignete Ammoniumsalze sind Azetate, Formiate, Borate, Nitrate und andere. Beispiele für geeignete Lösungsmittelsind Athylenglykol, Propylenglykol, Dimethylformamid, Diäthylcyanamid oder andere allgemein verwendete organische Lösungsmittel.
• Vorzugsweise werden Ionenbildner hoher Löslichkeit> wie z.B.
• das oben erwähnte Ammoniumnitrat verwendet, um einen weiten Beständigkeitsbereich für den Elektrolyten zu erilalten. Vom Standpunkt der Praxis her ist gewöhnlich für den r;lektrolyten ein Mindestwiderstand von etwa 10 Ohm Zentimenter vorgesehen, wobei die obere Grenze von der an den Kondensator anzulegenden Betriebsspannung abhängt. Demgemäß kann der verwendete Ionenbildner in stark variierenden Verhältnissen von sehr geringen Mengen bis zu einer bei minimaler Betriebstemperatur sättigender Menge vorliegen. Mineralsäuren in hoher Konzentration sollten in dem Elektrolyten im allgemeinen vermieden werden, um eine hydrolyse der Lösungsmittelmischung zu vermeiden.
• Für verschiedene Zwecke können dem Elektrolyten andere Materialien wie z.B. Dimethylsulfoxid, 11-Methylazetamid, Äthylenglykol und Dimethylazetamid zugesetzt erden. So können zB.
• die Viskosität der Mischung oder ihr Ausmaß der Lösungswirkung auf die anderen Bestandteile des Kondensators oder des Elektrolyten verändert werden. Somit kann der Elektrolytmischung eine andere Verbindung wie z.B. Athlenglykol zugesetzt werden, um die Viskosität der Lösungsmittelmischung zu erhöhen.
• Die folgende Zusammensetzung ist eine ganz allgemeine für Füllelektrolyten von Elektrolytkondensatoren gemäß dieser Verbindung. Die Angaben beziehen sich auf Gewichtsprozente.
• Prozent Ammoniumsalz 0,10 bis 10% Tetramethyl-guanidin 0,01 bis 5% Lösungsmittel Rest Ein Weg zur Herstellung des Elektrolyten besteht darin,die oben beschriebenen Anteile des Ammoniumsalzes und des Lösungsmittels zu mischen. Dann wird TMG in einer enge von 10 bis 50 Gewichtsprozent des Ammoniumsalzes zugesetzt. Diese Mischung wird eine Stunde lang bei 12500 erhitzt, so daß eine vorbestimmte Ammoniummenge durch das TMG verdrängt wird. Der Elektrolyt wird dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wonach er für eine Verwendung fertig ist.
• Im folgenden sind bestimmte Elektrolytbeispiele gemäß dieser Erfindung aufgeführt: Beispiel I Dimethylformamid 75 Volurnenprozente Äthylenglykol 25 Volumenprozente Ammoniumpentaborat 80 Gramm pro Liter Tetra-methyl-guanidin 11,3 Gram pro Liter Beispiel II Gewichtsprozente Butyrolactron 39,31 Dimethylazetamid 31,11 Äthylenglykol 24,35 Borsäure 1>09 Wasser 1,86 Ammoniumpentaborat 2,l8 Tetra-methyl-g.uanidin 0,10 Prüfungen bezüglich der Lebensdauer e-ines Elektrolytkondensators mit Elektrolytzusammensetzungen entsprechend Beispiel I bei 1250C und 35 Volt Gleichspannung und entsprechend Beispiel II bei 850C und 50 V Gleichspannung haben gezeigt, daß die Kondensatoren über 2 000 Std. beziehungsweise 1 500 Std. lang ohne Fehler arbeiteten und der Kapazitätswert innerhalb relativ enger Grenzen bei nur unbedeutendem Stromverlust eingehalten wurde.

Claims (13)

ANSPRÜCHE:

1. Elektrolytkondensator mit einem Elektrodenpaar, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine Elektrode aus einem filmbildenden Metall mit einem darauf befindlichen dielektrischen Film zusammengesetzt ist, und aer Elektrolyt eine Mischung aus einem Ammoniumsalz, Tetra-methyl-guanidin und einem geeigneten Lösungsmittel enthält.

2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tetra-nethyl-guanidin in 10 - 50 Gew.% des Ammoniumsalzes vorliegt.

3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ammoniumsalz 0,lO bis 10 Gew.% der ,ischung ausmacht.

4. Elektrolytkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Ammoniumsalz Ammoniumpentaborat enthält.

5. Elektrolytkondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß in der Mischung ein die Viskosität veränderndes Material enthalten ist, das mit der Mischung mischbar ist.

6. Flüssiger Elektrolyt für Elektrolytkondensatorer, : a -d u r c h g e k e n n z e i -c h n e t , daß er eine Mischung aus einem Ammoniumsalz, Tetra-methyl-guinidin und einem geeigneten Lösungsmittel enthält.

7. Elektrolyt nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Tetra-methyl-guanidin 10 - 50 Gew.

des Ammoniumsalzes ausmacht.

8. Flüssiger Elektrolyt nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ammoniumsalz 0,10 bis 10 Gew.% der Mischung ausmacht.

9. Flüssiger Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche t6 - 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i : h n e t> daß das Ammoniumsalz Ammoniumpentaborat ent

10. Flüssiger Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-9> dadurch gekennzeichnet> daß das Lösungsmittel Äthylenglykol, Propylenglykol, Dimethylformamid- und/oder Diäthylcyanamid ist.

11. Flüssiger Elektrolyt nach einem oder mehreren er Ansprüche 6 - 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß in der Mischung ein die Viskosität änderndes Material enthalten ist, das mit Mischung mischbar ist.

12. Elektrolytkondensator, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß er im wesentlichen gemäß der Beschreibung aufgebaut ist.

13. Flüssiger Elektrolyt, d a d u r c h G e k e n n -z e i c h n e t , daß er im wesentlichen gemäß der Beschreibung zusammengesetzt ist.