DE3508391A1

DE3508391A1 - Elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE3508391A1
Application number: DE19853508391
Authority: DE
Inventors: Daniel J. Indianapolis Ind. Anderson
Original assignee: Emhart Industries Inc
Current assignee: Emhart Industries Inc
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1985-03-08
Publication date: 1985-10-31
Also published as: GB8509699D0; JPS60226118A; GB2157891A; US4578204A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H Veickmann, D^pl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel

8000 MÜNCHEN 86 ^

POSTFACH 860 820 3 ü 0 O 0 9 I

Mf)HLSTRASSE 22

TELEFON (OiIj 980352

TELKX 522621

TI-LI GRAMM PATI-.NTWKICKMANN MÖNCHEN

Emhart Industries, Inc.

3029 East Washington Street, P.O. Box 706, Indianapolis, Indiana 46206
V.St.A.

Elektrolytkondensator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolytkondensator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Praktisch jeder in konventioneller Weise elektroplastisch hergestellte Elektrolytkondensator mit einem dielektrischen Oxidfilm besitzt zahlreiche Unvollkommenheiten und Unregelmäßigkeiten, welche den Leckstrom erhöhen und die dielektrische Festigkeit in Kondensatoren reduzieren. Der Zusatz eines Elektrolyten dient nicht nur als leitfähige Lösung zum Transport elektrischer Ladungen zwischen Anode und Kathode sondern liefert auch Sauerstoff zur Regeneration des unvollkommenen anodischen dielektrischen Films.

Von den vielen wünschenswerten Eigenschaften eines Kondensatorelektrolyten ist die vielleicht am schwersten zu erreichende Eigenschaft diejenige, in einem weiten Bereich von Betriebstemperaturen eine hohe Überschlagsspannung zu realisieren. Dieses Problem ist in einem tiefen Temperaturbereich beispielsweise zwischen -40° und +55⁰C am schwierigsten zu lösen. Eine hohe Überschlagsspannung

zeigt die Fähigkeit des Elektrolyten an, einem chemischen Durchbruch bei hohen Spannungen zu widerstehen. Ein derartiger Durchbruch bewirkt eine Bogenentladung zwischen den Kondensatorelektroden, welche in den meisten Fällen zu einem katastrophalen Ausfall des Kondensators führt.

Bisher sind Hochspannungselektrolyten (350 bis 500V) aus Borsäure, Ammoniak und/oder Ammoniumpentaborat, welche in Äthylenglykol gelöst sind, gebildet. Die höchste erreichbare Überschlagsspannung beträgt bei derartigen Elektrolyten etwa 525 V, wobei die Eigenschaften bei tiefer Temperatur aufgrund der viskosen Natur schlecht sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrolyten für Elektrolytkondensatoren mit höherer Überschlagsspannung anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektrolytkondensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Elektrolyt besitzt den Vorteil, daß er für einen Betrieb bei tiefen Temperaturen geeignet ist und eine Überschlagsspannung von wenigstens 620 V gewährleistet.

Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten perspektivischen Ansicht eines teilweise abgewickelten Elektrolytkondensatorkörpers näher erläutert.

Die Figur zeigt einen generell mit 10 bezeichneten Wickelelektrolytkondensator. Dieser Kondensator 10 besitzt eine

Anode 12 aus Ventilmetall (beispielsweise Aluminium, Tantal, Niob, Zirkon) auf deren Oberfläche sich ein als aktives Dielektrikum für den Kondensator dienender Oxidfilm befindet. Dieser Oxidfilm wird mittels einer bekannten Eloxiertechnik auf der Anode 12 gebildet. Eine Kathode 14 kann entweder aus einem Ventilmetall oder aus einem relativ inerten Metall, wie beispielsweise Silber gebildet werden, was vom Anwendungsgebiet des Kondensators abhängt. Die Anode 12 und die Kathode 14 sind durch Abstandsfolien 12 und 13 aus Papier oder einem anderen porösen Material voneinander getrennt. Diese Folien 12 und 13 sind mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten imprägniert. Die Elektroden 12 und 14 besitzen Ansätze 16 bzw. 15, welche als Anschlüsse für den Kondensator 10 dienen. Diese Ansätze 15 und 16 können am gleichen oder an sich gegenüberliegenden Enden des Kondensators vorgesehen sein.

Gemäß der Erfindung setzt sich der Elektrolyt im wesentlichen aus einem flüssigen Salz eines Tertiäramins und Eisessig zusammen, die in einem Monoalkyläther des Diäthylglykols in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1:3 bis 1:9 gelöst sind. Beispiele für ein sich im erfindungsgemäßen Elektrolyten eignendes Tertiäramin sind Triäthylamin und Tributylamin. Ein Beispiel eines geeigneten Monoalkyläthers des Diäthylglykols ist Diäthylglykolmonoäthyläther (Methylkarbitol). Versuche haben gezeigt, daß mit einem derartigen Elektrolyten Überschlagsspannungen von 620 V und mehr erreichbar sind.

Zur Verbesserung der Lagerlebensdauer des Elektrolyten kann eine geringe Menge von Phosphorsäure zugesetzt werden. Zur Vermeidung eines durch den Zusatz von Phosphorsäure bedingten Absinkens der Überschlagsspannung kann eine geringe Menge von Borsäure zugesetzt werden.

Der Bereich einer bevorzugten Zusammensetzung des Elektrolyten

/Τ— \p

ist der folgende:

Bestandteil Prozent vom Gesamtgewicht Triäthylamin 4-14

° Eisessig 4-14

Methylcarbitol 66-90

Borsäure 1-5

85%ige Phosphorsäure 0.1-1.0

¹^ Der erfindungsgemäße Elektrolyt gewährleistet nicht nur wesentlich verbeserte Überschlagsspannungen sondern bietet auch, insbesondere bei tiefen Temperaturen, bessere elektrische Eigenschaften, wie die folgenden Beispiele zeigen:

!5 Beispiel I

Eine Gruppe von Hochspannungskondensatoren mit einer Nennkapazität von 120 Mikrofarad bei 450 V wurde mit einem Elektrolyten getränkt, der etwa die folgende Zusammensetzung in Prozent vom Gesamtgewicht besitzt: flüssiges Salz des Triäthylamins und Eisessig 17,5 %, Methylcarbitol 80 %, Borsäure 2,5 % und 85 %ige Phosphorsäure weniger als 0,5 %. Nach Alterung und Zusammenbau wurden die Kondensatoren einem Lebensdauertest unterworfen und Messungen mit entsprechenden, mit einem bekannten Elektrolyten imprägnierten gleichartigen Kondensatoren durchgeführt. Der bekannte Elektrolyt bestand dabei aus in Äthylglykol gelöster Borsäure und Ammoniak. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse bei Kondensatoren in Mikrofarad.

	I	+ 25	⁰C	-40	⁰C	%	3508	3	9	1
	Technik	106	.2	77	.47
		106	.7	46	.9		Änderung
Beispiel						-27.1
Stand d.					-56.1

Gemessener äquivalenter Serienwiderstand (ESR):

Beispiel I 10 Stand d. Technik

+ 25⁰C

.593

.734

-40⁰C 19.6 .9

% Änderung + 3200 +17870

Ergebnisse eines Lebensdauertest bei 85°C:

Beispiel I Stand der Technik

Anfänglich Kapazität ESR Leckgleich-

strom

108.6 .625 1.34 108.3 .680 .106

1	000	Stunden
Kapazität	ESR	Leckgleich-
		strom

106.6 .517 106.3 .486

.034 .015

Beispiel II

Eine Gruppe von Hochspannungskondensatoren mit einer Nennkapazität von 1.200 Mikrofarad bei 450 V wurde mit dem gleichen Elektrolyten wie im Beispiel I getränkt, gealtert und zusammengebaut sowie mit einem bekannten Elektrolyten 30 gemäß Beispiel I aufweisenden Kondensatoren gemessen. Dabei ergaben sich die folgenden Vergleichswerte:

Kapazität Mikrofarad

Beispiel II 5 Stand d. Technik

+ 25⁰C

1263.6

1259.5

-4O⁰C 1025.4 455.0

% Änderung

-18.9 -63.9

Beispiel II 10 Stand d.Technik

0.069 0.079

ESR

1 .80 15.0

+ 2500
+18.900

Die Kondensatoren wurden ebenfalls einem Lagerlebensdauertest bei 85°C (ohne anliegende Spannung) für 262 Stunden mit 'den folgenden Ergebnissen gemessen:

Anfänglich

262 Stunden

Kapazität ESR Leckgleich- Kapazität ESR Leckgleich-

	1	263.	6	.069	2	strom	1	252.	6	.063	strom
Beispiel II	1	259.	5	.079	1	.18	1	249.	1	.072	3.
Stand der						.26					1 ,
Technik
		.94
.07

Die Daten zeigen, daß der Elektrolyt nicht nur eine hohe Überschlagsspannung gewährleistet sondern auch bessere elektrische Eigenschaften besitzt, was insbesondere hinsichtlich der Kapazität bei tiefer Temperatur und dem äquivalenten Serienwiderstand gilt.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Inc. H. "Weickmann, D-pl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F.A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel

^3508391 ft mn «85

POSTFACPr nwmo·'

MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 98 03 52 D/A TELEX 522621

TELEGRAMM PATENTFACHMANN MÜNCHEN

Emhart Industries, Inc.

East Washington Street, P.O. Box 706, Indianapolis, Indiana 46206

V.St.A.

Elektrolytkondensator

Patentansprüche

Elektrolytkondensator mit einem Paar von Elektroden (12, 14), von denen wenigstens eine im wesentlichen aus Ventilmetall gebildet ist und einen daraus gebildeten dielektrischen Oxidfilm besitzt,

gekennzeichnet durch einen Elektrolyten, der im wesentlichen aus einem flüssigen Salz eines Tertiäramins und Eisessig, die in einem Monoalkyläther des Diäthylenglykols in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1:3 bis 1:9 gelöst sind, gebildet ist.
2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tertiäraminsalz aus Triäthylamin und Tributylamin ausgewählt ist.
3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tertiäramin Triäthylamin ist.
4. Elektrolytkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Monoalkyläther des 20

-2-Diäthylenglykols Diäthylenglykolmonoäthyläther ist.
5. Elektrolytkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Zusatz geringer Mengen von Phosphorsäure und Borsäure.
6. Elektrolytkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt im wesentlichen folgendermaßen zusammengesetzt ist:

Bestandteil Prozent vom Gesamtgewicht

Triäthylamin 4-14

Eisessig 4-14

Methylcarbitol 90-66

Borsäure 1-5

85%ige Phosphorsäure 0.1-1.0
7. Elektrolytkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmetall aus der durch Aluminium, Tantal, Niob und Zirkon gebildeten Gruppe gewählt ist.
8. Elektrolytkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen aus einem Metall der Ventilmetallgruppe gebildeten Anode (12) und eine Kathode (14), die im wesentlichen aus einem Metall gebildet ist, das aus der durch Aluminium, Tantal, Niob, Zirkon und Silber bestehenden Gruppe gebildet ist.