DE2458452C3

DE2458452C3 - Aluminium-Elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE2458452C3
Application number: DE19742458452
Authority: DE
Inventors: Hubertus Dipl.- Phys. 7921 Heidenheim Ermer; Wilhelm Dipl.-Chem. Dr. 7928 Giengen Lauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2458452A1; BR7508103A; FI753269A; DE2458452B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Aluminium-Elektrolytkondensator insbesondere für hohe Betriebsspannungen, bestehend aus aufgewickelten Lagen einer gegebenenfalls aufgerauhten Anodenfolie, welche mit einer dielektrisch wirksamen Oxidschicht versehen ist, einer Kathodenfolie sowie Abstandshaltern, welche mit einem Betriebselektrolyt getränkt sind, der Borsäure, glykol, Ammoniak und Phosphorsäure enthält.

An die Betriebselektrolyte von Elektrolytkondensatoren werden verschiedene Anforderungen gestellt. Insbesondere soll die Leitfähigkeit eines solchen ^> Elektrolyts möglichst hoch sein. Außerdem muß er eine genügend hohe Funkenspannung besitzen, um die Spannungsfestigkeit des Elektrolytkondensators zu sichern. Da im allgemeinen höhere Leitfähigkeit eines Elektrolyts mit niedrigerer Funkenspannung verbun- w den ist. sind dies? Forderungen widersprüchlich; es ist daher üblich, für Kondensatornennspannungen bis 100 V (Niedervolt oder NV) andere Elektrolyte einzusetzen als für Kondensatornennspannungen größer als KK)V (Hochvolt oder HV). ^

Wegen der ständig steigenden Forderungen nach größerer Kapazität pro Volumeiicinhcil hei Elekttolylkondensatoren müssen höher gerauhte Anodenl'olien eingesetzt werden. Die durch eine höhere Folieiirauhung hcdingle Frhöhiimj der Verlustfaktoren bzw, (,0 der Scheinwiderslaiulswerte der Kondensatoren könnte durch I insat/ eines entsprechend höher !eilenden Be-Iriehsleleklrolyls kompensiert werden. Dies führt he-

sonders bei I lochvoll-FlektroIvlkondensaloren zu ')

einem nur durch Kompromisse zwischen den Ani'or- f.. 0.¹)

derunuen an die I unkenspannimt! um¹ die I eilljliig- o.(l^;

keil losbaren Widerspruch. So weisen lusher iibln he I IV-Brtriehselektmlvle bei I unkenspaniumtien von enihäll.

größer 500 V gewöhnlich Leitfähigkeiten von /.. B. nur 0,7mS/cm bei 30 C und 0,6₍j.S/cm bei -40 C auf. Damit lassen sich die für HV-Eleklrolytkondensutoren geforderten Verlustfaktor- und Scheinwiderstandswerte nur noch teilweise erfüllen. Der Grund für die geringe Leitfähigkeit solcher Elektrolyteist in ihrer chemischen Zusammensetzung aus zum Beispiel ca. 9 Mol ülykol, ca. 8 Mol Borsäure, ca. 2 Mol Ammoniak, daneben noch einer geringen Menge Phosphorsäure, zum Beispiel ca. 0,1 Mol jeweils pro kg Elektrolyt, und in ihrer Herstellung durch Kochen des Ansatzgemisches zur Entfernung von Esterwasser und zur Erhaltung möglichst kristallisationsstabiler Elektrolyte zu suchen. Dadurch werden wasserarme borsäurereiche Flüssigkeiten vom Charakter übersättigter Lösungen bzw. unterkühlter Schmelzen mit hoher Viskosität (ca. 1 Pa · s bei 30 C) erhalten, die bei abnehmender Temperatur weiter zunimmt und ein starkes Absinken der Leitfähigkeit zur Folge hat. Die hohe Viskosität erschwert zudem die Kondensatorfertigung, da sich Wickelkörper mit derart zähen Elektrolyten nur langsam imprägnieren lassen. Für eine weitgehende Automatisierung des Fertigungsablaufs sind deshalb Betriebselektrolyte mit niedriger Viskosität erwünscht, die einen schnellen und vollständigen Imprägniervorgang auch großer Kondensatorwickelkörper gewährleisten. Im Hinblick auf Rational isierungsbesirebungen sollen die Elektrolyte einfach und billig herzustellen sein und insbesondere keine giftigen, brennbaren oder sonst in irgendeiner Weise gefährlichen Bestandteile aufweisen, die zusätzlich, evtl. umfangreiche und kostspielige Sicherheitsmaßnahmen notwendig machen würden. Aus diesen Gründen sind Betriebselektrolyte mit organischen Lösungsmitteln als Hauptbestandteil (/. B. Dimethylformamid, Methylglykol) für einen Einsatz in einer automatisierten Fertigung wenig geeignet, obwohl sie hohe Leitfähigkeiten und niedrige Visl.osiliitswerte aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, L.r.en Betriebselektrolyt für Aluminium-Elektrolytkondensatoren insbesondere für hohe Betriebsspannungen anzugeben, der die widersprüchlichen Eigenschaften hoher Leitfähigkeit und hoher Funkenspannung in sich vereinen soll, der also in einem weiteren Betriebsspanniingsbereich als herkömmliche Betriebselektrolyte einsetzbar ist. Die mit diesem Elektrolyt imprägnierten Kondensatoren sollen im Temperaturbereich von -40 C" bis 85 C" botrieben verden können, wobei die gelorderten elektrischen Werte der Kondensatoren eingehalten werden sollen. Weiterhin soll der Elektrolyt, im Hinblick auf eine durch weitgehende Automatisierung des Fertigungsablaufs vereinfachte und beschleunigte Kondensalorherslellung, eine niedrige Viskosität aufweisen, die Voraussetzung für eint gründliche und schnelle Imprägnierung ist. Außerdem soll er in der Herstellung einfach und billig sein und keine giltigen, brennbaren oder sonst gefährlichen Bestandteile aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei (Jem eingangs genannten Aliiminium-Flektrolytkondensator crfindungsgcmäU durch einen Betriebselektrolyt gclösl. der nicht gekochl isl und pro Kilogramm Elektrolyt

ii Mol Borsäure.
I I Mol Äihylenglykiil.
1.1 Mol Ammoniak und
0.07 Mol Phosphorsäure

Vorzugsweise enthüll der Betriebselektrolyt pm Kilogramm Elektrolyt

etwa 5,5 Mol Borsäure,
etwa 9,9 Mol Äthylenglykol,
etwa 1,0 !Mol Ammoniak und
etwa 0,06 MoI Phosphorsäure.

Aus der DT-OS 22 51404 ist zwar ein Hoehvolt-Betriebselek'.iolyl auf der Bais Borsäure, Glykol, Ammoniak und Phosphorsäure bekannt, der jedoch einen Zusatz von Mannit enthält. Der Mannitzusatz erhöht die Funkenspannung und erweitert den Anwendungsbereich des Elektrolyts zu höheren Spannungen hin, hat aber eine deutliche Senkung der Leitfähigkeit zur Folge (um ca. 25%). Ein hochleitender Elektrolyt ist jedoch auch für höhere Spannungen wünschenswert, da sich hieraus beim Elektrolytkondensator eine Herabsetzung des Verlustfaktors und des Scheinwiderstands (besonders günstig im Hinblick auf Wechselstrombelastung und Tieftemperaturanwendung) ergibt, Ohne Manniiziisatz ist der bekannte Elektrolyt für! IV-Elektrolytkondensatoren (/. B. ü\ = 350 V) nicht geeignet.

Der erfindungsgemäße Betriebselektrolyt weist gegenüber dem aus der DT-OS 22 5! 404 bekannten Elektrolyt ohne den zugehörigen Mannitzusatz bei entsprechend höherer Leitfähigkeit die für Hochvoltanwendung notwendige Funkenspannung auf. Die gegenüber herkömmlichen Hochvoll-BetriehsHektroiyten höhere Leitfähigkeit wird dadurch erreicht, daß der erfindungsgemäße Betriebseiektrolyt nicht gekocht wird.

Damit kann auf den Mannitzusatz verzichtet werden. Auch für den Fachmann war nicht zu erwarten, daß damit ein Hochvolt-Betriebselektrolyt erhalten wird, der sich sowohl durch hohe elektrische Leitfähigkeit als auch durch genügend hohe Funkenspannung auszeichnet. Bisher herrschte die Ansicht, daß eine hohe elektrische Leitfähigkeit eine niedrige Funkenspannung bedingt. Daher bestand in der Fachwelt ein Vorurteil dangen, relativ hochleitfähige Llektrolyte ohne besondere Maßnahmen, wie zum Beispiel den Zusatz von Mannit für die Herstellung von liV-Elektrolytkondensatoren einzusetzen. Dieses Vorurteil wird durch die vorliegende Erfindung überwunden.

Die Herstellung eines Betriebselektrolyts gemäß der Erfindung geschieht in einfacher Weise durch Einrühren der entsprechenden Menge von Borsäure. Ammoniak und Phosphorsäure in das vorg:wärmte Glykol (ca. 90 C) bis zur klaren Lösung. Der bisher bei der Herstellung von Hoehvolt-Betriebselcktrolylen übliche Kochvorgang entfallt ganz.

Wegen des vergleichsweise geringen (ichalts an Borsäure und durch den erhöhten Fsterwasscranteil (Fntf ti Ilen des Kochvorgungs) ergibt sich eine gegenüber den bekannten IIV-Betriebsclektrolyten wesentlich herabgesetzte Viskosität von ca. O.I Pa · s bei 30 C (gegenüber ca. I Pa ■ s bei den bisher üblichen HV-Llektrolytcn). Dadurch wird eine schnelle Imprägnierung selbst großer Kondensatorwickel erreicht.

Weitere Vorteile sind in der Einfachheit der Herstellung des crfindungsge-mäl.k-ii Betricbs-lekiTnlyls sowie im niedrigen Preis und in der rngeliihrli.-fiki.it der seit langem in der l.lekt^rnl\lherstelluni: emiu'liilir teil Ausi!.ingssl.:)l'le /11 seilen

Der '.Tlindiiiiiisiiemalie lletriebsei< klrolyt /erhn.'l -.nil durch eine ähnliche hobt.· Iunkt η .ρ.ιιΐΉίπι. \vi..· /um Beispiel der ;mh der DI-OS 2.¹M-IIM bekannte aus da. S(KA bei 3(1 '. und ca M(IV hei X5 t I Ms Funkenspannung wird hier diejenige Spannung bezeichnet, bei der an einem in dem betreifenden Elektrolyt als Anode geschalteten glatten Aluminiumfölienprüfling von 99,99"/üiger Reinheit, der in 3%iger wäßriger Borsäurelösung bei 90'C auf 600 V vorfonmiert wurde, erste sichtbare Funken entstehen.

Dagegen zeichnet sich der erfindungsgemäße Betriebselektrolyt durch eine wesentlich höhere Leitfähigkeit gegenüber dem bekannten Betriebselektrolyt aus (bei 30 C 2,2 mS/cm gegenüber 1,6 mS/cm und bei -40 C 7,5uS/cm gegenüber 4aS/cmj. Die höhere Leitfähigkeit hat zur Folge, daß Elektrolytkondensatoren mit dem erfindungsgemäßen Betriebseleklrolyt niedrigere Verlustfaktoren und niedrigere Scheinwiderstandswerte aufweisen. Die Kapazitätsabnahme entsprechend imprägnierter Elektrolytkondensatoren bei abnehmender Temperatur ist geringer.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wurden zum Vergleich Wickel für Elektrolytkondensatoren de: Nennwerte 15aF/35OV, die in ^μ.-.kannter Weise her-

ten sowie dem erlindungsgemäßen Betriebselektrolyt imprägniert.

An den mit den beiden Elektrolyten imprägnierten, aber sonst gleichartigen Elektrolytkondensatoren wurden die Kapazität C und der Scheinwiderstand Z (10 kHz) bei 25 und bei -40 C bestimmt. In der Tabelle 1 sind die Meßergebnisse eingetragen, wobei sich die Spalte I auf die Kondensatoren bezieht, die mit dem bekannten Betriebselektrolyt imprägniert sind. Die in Spalte II aufgeführten Meßwerte beziehen sich auf die Kondensatoren mit dem Betriebselekrolyten gemäß der Erfindung. Weiterhin ist in der Tabelle das C ■ Z-Produkt bei 25 und bei -40 C angegeben.

Tabelle	1	25 C -40 C"	I	Il
		25 C -40 C	16.1 5.4	16.0 13.0
'/μ F		25 C -40 C	4.0 714	2.3 163
Z/Ohm			60 10 070	34,7 2450
C ■ Zl[i.	F Ohm

Wie der Tabelle /u entnehmen ist. weisen bei Raumtemperatur die Kondensatoren mit den beiden verschiedenen Bctriebselektrolyten ähnliche Kapazitütswerlc auf. Die Kapazitätsänderung beim Übergang von 25 zu - 40 C ist bei denjenigen Kondensatoren gerinne, die mit dem Betriebselektrolyt gemäß der Erfindung imprägniert sind. Weiterhin ist der Tabelle /u entnehmen, daU die Elcktrolytkonuensatoren mit dem crfindungsgemäßen Elektrolyt bei 25 C einen niedrigeren Srhcinwidcrslar.! aufweisen. Hier ist auch die Zunahme des Scheinwiderstandes mit fallender Temperatur geringer. Dementsprechend liegt das Γ · /-Produkt bei -40 C für die Elektrolytkondensaloreii. die mit dom Ii 'trich-clektrolvt i'jm.ill der l'ilinduni! imprägniert mikI. gunstip:-) als tier in der \<<rs..hrill DIN 41332 l'iir ' <()-V-l lektrohtkontlersaloren bei 25 ( angegebene Kichtwert von 3."¹OO ■' I ()hm 1 Jk'sr,- \ erhessei iing lit aiii die w ·.·-.'.· nthch höhere eleklri.' 'ie l.iMllälviikeit des BetriebseL'k linh ' -■ .'-.'inall tl-.'i I 11 induni! üegen über dem bekannten l-h-klroKt /!iruck/'.iliihivn

Weiterhin wurden mit den genannten beiden Gruppen von lilektrolytkondensatoren zwei verschiedene Dauerversuche durchgeführt. Dabei wurde ein Teil der Ileklrolylknndensatoren icdcr Ciruppc bei X5 ( mit der Nennspannung von 350 V betrieben, wahrend der andere Teil spannungslos hei X5 C gelagert wurde. In der Tabelle 2 sind die Meßwerte des Verlustfaktors /u Beginn des Dauerversuchs (bei X5 C und 35OV) sowie nach 2(XK). 4(KK) und WKKl Stunden (lan i>„. tan r5;iK»i. tan i5_ln„,,. tan ri_MK»,i und des Scheinwiderstandes / (lOkll/) in den gleichen /eitahsländen (/,,. /;ni«„ /.!,«κ,, /.ium) angegeben. Die Spalten I und Il beziehen sich wiederum auf die mit den beiden genannten Betriebselektrolyten imprägnierten Kondensatoren.

Tabelle 2	I	3.0	Il
tan (),,/	5.X	ι.χ
tan ό.,„„,/"■	7.1	3.4
tan <).„,,,/"■..	10.5	4.0
tan <>,,,,„/"'■	3.5	4.4
/„/Ohm	3.0	l.d
/„„„/Ohm	3.5	1.7
/,,„,/Ohm	5.(.	I.¹)
Λ,,/Ohni	2.3

In der Tabelle 3 sind die Meßergebnisse der Kondensatoren angegeben, welche bei X5 f spannungslos gelagert waren. Die Tabelle enthalt ebenfalls die Werte tür den Verlustfaktor tan ή und den Scheinwiderstand / (lOkll/). wobei die lndi/es die gleiche Bedeutung wie in der Tabelle 2 haben. Weiterhin sind in der Tabelle 3 auch die Werte für den Reststrom I₁₁ angegeben (gemessen I Min. nach Anlegen der MeIlspannung von 350 V). Die Spalten I und Il beziehen sich dabei wieder wie in der vorhergehenden Tabelle aul die verschiedenartig imprägnierten Kondensatoren.

.(.2	i.S
4.4	2.4
S.7	2.(.
X.3	? υ
3.x	l.d
2.3	1.3
2.7	1.3
4.1	l.>
20	15
2'«)	I'M)
2fi5	!75
250	150

Libelle

Ian (j,,/ ■■
tan ().,,,«,/
Ian ι)■.,„,■/
lan f5,_JM,/'

/„/Ohm
/„„,/Ohm

/ /Ohm

/„,„,,/Ohm

Den Tabellen 2 und 3 sind leicht ilie Vorteile d Bclriebselektrolyts gemalt der Trllndung gegenube dem bekannten Betriebseleklrolyl zu entnehmen.

Die günstigen I igcnschalten des erllndungsgemäße lietnchsclckirolyts gestatten dessen Anwendung eher IaIIs in T.leklrolytkondensatoren für Spannunge kleiner als KK) \'; er kann also fur Aluminium-elektn lytkondensaloren im gesamten Spannungsbereich bi 350 V eingesetzt werden.

In der! igur ist ein teilweise aufgerollter Aluminum ll()chvoli-l:lektrolytkondensator dargestellt.

Der Kondensator 1 wird durch Aulwickeln der TlIe.\ trodenfolicn 2. 3 mit Abstandshaltern 4. 5 hergcsleil An den Filekirndenfolien 2. 3 sind Stroinziiführungen Γι 7 angebracht. Die im fertigen Kondensator als Anod dienende I öl ic ist mit einer dielektrisch wirksame Schicht aus Aluminiumoxid versehen, welche ii Tormierpro/eß auf die lohe aufgebracht wurde /wcckmäl.tigerweise wird die Anodenfolic vor der To niicrung zur Tlr/ielung einer höheren Kapazität au gerauht. Je nach Anwendungs/wcck kann ahcrauch di Kathodenfolie aulgerauht bzw.mil einer Oxidschiel bedeckt sein. Die /w ischenlagcn 4. 5 bestehen au einem saugfähigen Material wie zum Beispiel l'api und sind mit dem Betriebsclektrolyl getränkt.

Hierzu 1 Blatt /.eichnunucn

Claims

Patentansprüche:

1. Aluminium-Elektrolytkondensator, insbesondere für hohe Betriebsspannungen, bestehend aus aufgewickelten Lagen einer gegebenenfalls aufgerauhten Anodenfolie, welche mit einer dielektrisch wirksamen Oxidschicht versehen ist, einer Kathodenfolie sowie Abstandshaltern, welche mit einem Betriebselektrolyt getränkt sind, der Borsäure, Glykol, Ammoniak und Phosphorsäure enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebselektrolyt nicht gekocht ist und pro Kilogramm Elektrolyt

5 - 6 Mol Borsäure,
9 - 11 Mol Athylenglykol,
0,9 - 1,1 Mol Ammoniak und
0,05 - 0,07 Mol Phosphorsäure

enthält

2. Elektrolytkondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebselektrolyl pro Kilogramm Elektrolyt

etwa 5,5 Mol Borsäure,
etwa 9,9 Mol Athylenglykol,
etwa 1,0 Mol Ammoniak und
etwa 0,06 Mol Phosphorsäure

enthält.