DE2234618B2

DE2234618B2 - Elektrolytkondensator und Verfahren zur Herstellung seiner Elektroden

Info

Publication number: DE2234618B2
Application number: DE2234618A
Authority: DE
Inventors: Robert Samuel Williamstown Mass. Alwitt; Robert Wood Bennington Vt. Santway
Original assignee: Sprague Electric Co
Current assignee: Sprague Electric Co
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1978-06-22
Also published as: FR2146450A1; FR2146450B1; DE2234618C3; US3697822A; GB1347442A; CA940609A; DE2234618A1; JPS549296B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Elektrolytkondensator mit einer aus einem Ventilmetall gebildeten Anode, einer Kathode und einem mit den Elektroden in Kontakt stehenden Elektrolyten.

Es ist bekannt, in Elektrolytkondensatoren dieser Art Elektroden aus Metallfolien, wie Aluminium, zu verwenden, die zur Vergrößerung ihrer Oberfläche angeätzt sind. Diese Vergrößerung der wirksamen Oberfläche von Aluminium ist in weitem Ausmaße abhängig von dem ungleichen Eindringen des Ätzmittels. Hierdurch wird aber die Metallfolie geschwächt. Besonders nachteilig wirkt sich das bei Aluminiumfolien aus, da in diesen beim Ätzen Löcher entstehen können. Die so zu behandelnde Folie muß daher ziemlich dick sein.

Das Ziel der Erfindung sind Elektrolytkondensatoren mit Elektroden großer Oberfläche, die ohne Ätzen der hierzu verwendeten sehr dünnen Folien wirtschaftlich hergestellt werden können.

Der erfindungsgemäße Elektrolytkondensator ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus einem Substrat aus Aluminium besteht, das mit einem rissigen Oxidfilm und einer äußeren metallisierten Schicht aus wenigstens einem Metall aus der Gruppe Aluminium und Tantal bedeckt ist, die über den rissigen Oxidfilm in direktem Kontakt mit dem Aluminiumsubstrat steht

In einer besonderen Ausführungsform enthält die äußere metallisierte Schicht wenigstens einer Elektrode außen eine anodisch formierte Schicht

Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Aluminium mit heißem Wasser zur Bildung einer Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid behandelt wird, daß das so behandelte Substrat zur Bildung von Rissen in der Schicht aus Aluminiumoxid erhitzt wird und daß dann auf die rissige Schicht eine Schicht aus Aluminium oder Tantal derart aufgebracht wird, daß sie durch die Risse hindurch bis zum Substrat aus Aluminium reicht.

Die zuletzt aufgebrachte Schicht aus Aluminium oder Tantal kann in an sich bekannter Weise anodisch formiert werden. Die Oberfläche einer Aluminiumfolie wird mit heißem Wasser behandelt, so daß auf ihr ein Film aus wasserhaltigem Aluminiumoxid entsteht Diese Folie mit dem auf ihr entstandenen Film wird dann kurze Zeit verhältnismäßig hoch erhitzt, so daß Risse in dem Film entstehen. Auf diese skelettartige Struktur wird dann eine dünne Schicht aus Aluminium oder Tantal aufgebracht, wobei diese Metalle durch die Risse der Schicht aus Aluminiumoxid bis zu dem Substrat aus Aluminium reichen. Auf diese Art ist es möglich, eine Elektrode mit einer großen Oberfläche wirtschaftlich herzustellen. Die Oberfläche der Folie wird hierbei nicht geätzt, sondern der auf ihr entstandene Film aus wasserhaltigem Aluminiumoxid wird zur Bildung von Rissen erhitzt. Da das Innere des Substrats nicht maßgeblich ist für die endgültige Oberfläche, so kann dieses eine beliebige Dicke haben, z. 3. eine sehr dünne Folie oder ein niedergeschlagener Film sein.

Die F i g. 1 zeigt in auseinandergezogenem Zustande einen Elektrolytkondensator mit einer erfindungsgemäßen Elektrode.

Die F i g. 2 zeigt perspektivisch eine Folie mit einem rissigen Oxidfilm.

Die F i g. 3 zeigt im Querschnitt eine Folie nach F i g. 2 entlang der Linie 3-3, wobei auch die weitere Metallschicht dargestellt ist.

Die Kapazität eines Kondensators wird durch die Formel KA/D ausgedrückt. Hierbei bedeutet K die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials, A ist die Oberfläche der Elektrode und D ist der Abstand zwischen den beiden Elektroden des Elektrolytkondensators. Mit einer Zunahme der Spannung muß D ebenfalls zunehmen, wodurch die wirksame Kapazität verringert wird. Diese Schwierigkeit kann überwunden werden durch Vergrößerung der Oberflächen der Elektroden. Gewöhnlich geschieht dies durch Ätzen der Elektroden. Beim Ätzen, insbesondere von dünnen Folien, entstehen aber Schwierigkeiten. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche der Elektroden vergrößert, ohne daß hierbei geätzt wird. Die gesamte Kapazität dieser Einheiten ist direkt abhängig von der Oberfläche der Elektroden und kann ausgedrückt werden durch die Formel MC=MCa+ HCc, wobei Ca die Kapazität der

Anode, Cc die Kapazität der Kathode und Cdie gesamte Kapazität bedeuten. Da die Kapazität der Kathode in Reihe zu der Kapazität der Anode geschaltet ist, so wird die gesamte Kapazität verringert, wenn nicht die Kapazität der Kathode größer ist als die Kapazität der Anode. Das kann durch Vergrößerung der Oberfläche der Kathode erreicht werden.

Bei einem Elektrolytkondensator nach F i g. 1 werden Folien als Elektroden verwendet. Die Oberfläche dieser Elektroden kann vorteilhaft und wirtschaftlich durch Bildung einer rissigen Skelettschicht aus Oxid auf der als Substrat dienenden Folie vergrößert werden, anschließend wird diese skelettartige Struktur derart metallisiert, daß die aufgebrachte Metallschicht die Folie durch die Risse hindurch erreicht. Am besten kann das anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektrolytkondensator 10 mit Anschlüssen 11 und 12, welcher einen Zylinder 19 aus abwechselnd aufgewickelten Metallfolien und Abstandshaltern enthält und mit einem Elektrolyten imprägniert ist. Der Zylinder 19 besteht aus einer kathodischen Folie 14 mit einem Anschlußdraht 13, einem Abstandshalter 15 aus Papier, einer anodischen Folie 17 mit einem Anschlußdraht 16 und einem weiteren Abstandshalter 18 aus Papier. Die anodische Folie 17 kann vorteilhalft in an sich bekannter Weise elektrochemisch formiert sein. Das Material des Abstandshalters absorbiert den Elektrolyten und ermöglicht seinen gleichmäßigen Kontakt mit den unebenen Oberflächen der kathodischen Folie 14 und der anodischen Folie 17. Die kathodische Folie 14 dient als elektrische Verbindung zu dem Elektrolyten. Der Abstandshalter kann aus üblichem für diesen Zweck verwendeten Material bestehen. Die anodische Folie 17 kann aus einem beliebigen Metall bestehen.

Es wurde gefunden, daß die Oberfläche einer Aluminiumfolie beliebiger Dicke durch das nachstehend beschriebene Verfahren vergrößert werden kann. Man behandelt die Oberfläche der Aluminiumfolie mit siedendem Wasser bis dreißig Minuten lang, so daß auf ihr ein Film aus wasserhaltigem Aluminiumoxid mit einer Dicke von 2 χ 10~⁵ bis 6 χ K)-⁵ cm entsteht. Die so behandelte Folie wird dann kurze Zeit bei erhöhter Temperatur behandelt, um Risse in der Schicht entstehen zu lassen. In der Regel ist eine Temperatur « von etwa 45O⁰C während etwa 115 Minuten genügend, um die Rißbildung in dem Film aus wasserhaltigem Aluminiumoxid zu bewirken.

Die Fig.2 zeigt einen solchen Film aus rissigem Aluminiumoxid. Auf einer als Substrat dienenden Aluminiumfolie 20 ist ein Film 21 aus wasserhaltigem Aluminiumoxid entstanden, der ein unregelmäßiges Netzwerk 23 von Rissen aufweist, die durch Erhitzen entstanden sind. Die Risse erstrecken sich überall bis zur Substratfolie 20. Dann kann man auf diese rissige Schicht eine Metallschicht derart aufbringen, daß das Metall in Berührung mit dem Substrat aus Aluminium gelangt, wie die F i g. 3 es zeigt. Nach dieser Figur hat eine als Substrat dienende Aluminiumfolie 20 einen dünnen rissigen Film 21 aus Aluminiumoxid, und einen darauf aufgebrachten Metallfilm 24, der durch die Risse hindurch bis zur Substratfolie 20 reicht Da das Innere der Substratfolie 20 nicht zur Vergrößerung der Oberfläche beiträgt, kann dieses Substrat eine beliebige Dicke haben und beispielsweise eine sehr dünne Folie oder ein niedergeschlagener Film sein. Vorzuziehen ist zur Rißbildung ein 15minutiges Erhitzen auf etwa 450⁰C. Man kann aber auch auf Temperaturen bis gerade unter den Schmelzpunkt der Folie erhitzen. Die Zeit für das Erhitzen ist nicht kritisch und muß nur genügen, um ein Netzwerk an Rissen entstehen zu lassen. Ein längeres Behandeln bei diesen Temperaturen ist nicht schädlich.

Auf die rissige Schicht kann Aluminium zweckmäßigerweise durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht werden, oder durch ein anderes an sich bekanntes Verfahren. Es können auch andere leitende Metalle mit gutem Ergebnis aufgebracht werden, wenn sie die Elektrode nicht zu unbeständig gegen Korrosion machen und mit gutem Erfolg als Kathode dienen können. Tantal ist ein gutes Beispiel eines solchen anderen Metalls. Die äußere Metallschicht kann eine Dicke zwischen 500 und 10 000 A haben.

Die so hergestellte Elektrode kann vorteilhaft als Kathodenfolie verwendet werden, wobei die als Substrat dienende Aluminiumfolie eine Dicke von 0,01 mm oder darunter haben kann. Die Kathode hat eine Kapazität von 30 bis 50 μΡ/cm². Dieser Wert ist erheblich höher als der von 23 μΡ/cm² bei üblichen geätzten Aluminiumfolien mit einer Dicke von 0,025 mm. Gewünschtenfalls kann die so hergestellte Elektrode noch weiter behandelt werden, z. B. durch an sich bekanntes Formieren. Das kann so durchgeführt werden, daß man die behandelte Aluminiumfolie mit einer wäßrigen Lösung von Ammoniumdihydrophosphat behandelt, z.B. bei 9O⁰C mit einer 0,l°/oigen Lösung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolytkondensator mit einer aus einem Ventilmetall gebildeten Anode, einer Kathode und einem mit den Elektroden in Kontakt stehenden Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus einem Substrat

(20) aus Aluminium besteht, das mit einem rissigen Oxidfilm (21) und einer äußeren metallisierten Schicht (24) aus wenigstens einem Metall aus der Gruppe Aluminium und Tantal bedeckt ist, die über dem rissigen Oxidfilm (21) in direktem Kontakt mit dem Aluminiumsubstrat (20) steht

2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere metallisierte Schicht (24) wenigstens einer Elektrode außen eine formierte dielektrische Schicht enthält.

3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere metallisierte Schicht (24) eine Dicke zwischen 500 und 10 000 Λ hat

4. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) aus Aluminium mit heißem Wasser zur Bildung einer Oberflächenschicht (21) aus Aluminiumoxid behandelt wird, daß das so behandelte Substrat (20) zur Bildung von Rissen in der Schicht

(21) aus Aluminiumoxid erhitzt wird, und daß dann auf die rissige Schicht eine Schicht (24) aus Aluminium oder Tantal derart aufgebracht wird, daß sie durch die Risse hindurch bis zum Substrat (20) aus Aluminium reicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mit heißem Wasser behandelte Substrat (20) aus Aluminium zur Bildung von Rissen in der Schicht (21) aus Aluminiumoxid auf 400 bis 650°C, vorzugsweise auf etwa 450° C, erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (24) aus *< > Aluminium oder Tantal durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zuletzt aufgebrachte Schicht (24) aus Aluminium oder Tantal in an sich bekannter Weise anodisch formiert wird.