DE60318482T2

DE60318482T2 - Elektrolytkondensatorvorrichtung mit hoher Energiedichte und Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Anode aus Ventilmetall

Info

Publication number: DE60318482T2
Application number: DE60318482T
Authority: DE
Inventors: Joachim Minneapolis Hossick-Schott; John D. New Brighton NORTON; Anthony W. Champlin RORVICK; Steve J. Minnetonka MAY
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2023-11-22
Also published as: CA2507028A1; US7342774B2; US20040134874A1; DE60318482D1; WO2004049361A1; EP1568052B1; EP1568052A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein verbesserte Kondensatoren; insbesondere betrifft die Erfindung fortschrittliche Ventilmetall-(AVM: Advanced Valve Metal)Anoden und Verfahren zum Herstellen von AVM-Anoden, die komplizierte Oberflächen- und Innenraummerkmale aufweisen, zur Verwendung in Kondensatoren mit hoher Energiedichte. Insbesondere, neben anderen Anwendungen, finden solche Anoden Anwendung bei für hohe Spannungen ausgelegten Kondensatoren, die in implantierbare medizinische Vorrichtungen (IMDs) eingebaut werden.
Der Begriff "Ventilmetall" steht für eine Gruppe von Metallen, darunter Aluminium, Tantal, Niob, Titan, Zirconium usw., die alle – nach einer Anodenpolarisation in elektrisch leitenden Lösungen – haftende, elektrisch isolierende Metalloxidfilme bilden. Die Leistungscharakteristik von Ventilmetall- und anderen Kondensatortypen hängt von verschiedenen Faktoren ab (z. B. von der effektiven Oberfläche der Anoden und Katoden, mit welcher der Elektrolyt in Kontakt kommen kann, von der Dielektrizitätskonstanten des Oxids, das auf der Metalloberfläche gebildet wird, von der Dicke der Oxidschicht oben auf der Metalloberfläche, von der Leitfähigkeit des Elektrolyts usw.). Die Dicke der anodischen Oxidschicht ist näherungsweise proportional zu dem elektrischen Potential, das während der Formation der Anode (d. h. zu der Zeit, zu der die Anode in den Formationselektrolyt eingetaucht ist) an der Anode anliegt. Bei Aluminium wächst das Oxid ungefähr um ~1,0 nm pro Volt, bei Tantal ist diese "Wachstumsrate" etwas höher, ungefähr 1,7 nm pro Volt. Niob- und Tantalanoden sind typisch in Form eines Pellets oder "Blocks" aus gepresstem Pulver hergestellt, wenn sie in einem Elektrolytkondensator verwendet werden.
Die Dichte des gepressten Anodenblocks bzw. -rohlings ist typisch wesentlich geringer als die Dichte des Bulk-Metalls, aus dem das Pulver hergestellt ist, d. h. bis zu 2/3 des Volumens eines gegebenen Blocks kann offener Raum (Porenraum) sein. Die endgültige Dichte des Anodenblocks wird hauptsächlich zum Zeitpunkt des Pressens bestimmt, wenn eine bekannte Menge Pulver in ein bekanntes Volumen gepresst wird. Herkömmlich ist geglaubt worden, dass die Formation des Anodenblocks eine recht homogene Verteilung des offenen Raums über den Anodenblock hinweg erfordert, da der formierende Elektrolyt auch die "entferntesten" Hohlräume in der karstartigen inneren Struktur der Anode benetzen soll. Dies ist besonders wichtig bei vergleichsweise großen Anoden mit Volumina in der Größenordnung von 1 cm³ oder darüber.
Außerdem bestimmt der freie Fluss des flüssigen Elektrolyts sowohl während der anfänglichen Oberflächenbearbeitung (z. B. Bildung von Oberflächenoxid auf der Anode, auch als Anodisieren bezeichnet) als auch während des Betriebs als elektrochemische Zelle nach wie vor die Kondensatorgestaltung. Ein Grund dafür hängt mit der Tatsache zusammen, dass der Elektrolyt, der während des Anodisierens verwendet wird, üblicherweise als "Formationselektrolyt" bezeichnet, in den Zwischenräumen der Anode überhitzt werden kann. Dieses Überhitzen beeinflusst die Oxidbildung nachteilig und kann dazu führen, dass sich ein Elektrolytrest ansammelt, der die Leistungsfähigkeit der fertigen elektrochemischen Zelle weiter beeinträchtigt. Während des Betriebs der elektrochemischen Zelle ist für einen schnellen Ladungsträgertransport eine kontinuierliche freie Zirkulation des Elektrolyts, üblicherweise als "Betriebselektrolyt" bezeichnet, erforderlich.
Solch ein Ladungsträgertransport tritt während des Lade- und Entlade-Zyklusbetriebs des Kondensators auf. Während der Formation ist eine Energiequelle, die imstande ist, einen konstanten elektrischen Strom von etwa 100 mA pro Anode und ein konstantes elektrisches Potential von mehreren hundert Volt abzugeben, mit dem Anodenblock verbunden, der in den Elektrolyt eingetaucht ist. Elektrische Energie von 10 Watt pro Anode kann als Wärme abgegeben werden, und es können lokale Unterschiede bei dem anliegenden elektrischen Potential auftreten.
Ungeachtet des Verfahrens, durch das das Ventilmetallpulver verarbeitet wurde, werden gepresste und gesinterte Ventilmetallpulverstrukturen und speziell Tantal- und Niob-Pellets üblicherweise durch das kontrollierte Anlegen des Formationspotentials und des elektrischen Stroms, während die Anode in den Formationselektrolyt eingetaucht ist, anodisiert. Ein typischer Formationselektrolyt besteht aus Ethylenglykol oder Polyethylenglykol, entionisiertem Wasser und H₃PO₄ und weist eine Leitfähigkeit irgendwo zwischen 50 μS/cm (lies: Mikro-Siemens pro cm) und etwa 20 000 μS/cm bei 40°C auf. Die herkömmliche Praxis bestand darin, das anodisch polarisierte Ventilmetall bis zu einem Soll-Formationspotential mit einem durch das Anoden-Elektrolyt-System fließenden konstanten elektrischen Strom zu formieren. Üblicherweise werden Katoden aus korrosionsbeständigem Stahl mit den glykolhaltigen Elektrolyten verwendet.
Das Dokument US-A-3 345 545 beschreibt einen Kondensator mit einem porösen, gesinterten Ventilmetall-Anodenelement mit wenigstens zwei darin ausgebildeten Hohlräumen und einem Leitungsdraht, der mit dem Anodenelement gekoppelt ist.
Aus US-A-5 584 890 ist ein Kondensator mit hoher Energiedichte bekannt, der eine mehrere Schichten mit unterschiedlicher Dichte aufweisende, poröse, gesinterte Ventilmetall-Anode umfasst.
Im Zusammenhang mit medizinischen Vorrichtungen werden Kondensatoren typisch schnell geladen und entladen, um Niederspannungs- oder Hochspannungsstimuli abzugeben. Nach oder während einer Erfassung einer potenziell letalen Arrhythmie lädt eine geeignete elektrische Übertrager-Schaltungsanordnung einen oder mehrere für hohe Spannungen ausgelegte Kondensatoren unter Verwendung einer Niederspannungsbatterie als Ladungsquelle. Dann, zu einem geeigneten Zeitpunkt, entlädt sich die in dem Kondensator bzw. den Kondensatoren gespeicherte Energie durch ein Paar Elektroden, das in oder nahe bei dem Herzen eines Patienten angeordnet ist. Der Betrag der entladenen Energie wird verwendet, um die Arrhythmie zu beenden und eine organisierte Herzaktivität zu beginnen. Medizinische Vorrichtungen, die eine Kardioversions- und/oder Defibrillationstherapie abgeben, schließen automatisierte externe Defibrillatoren (AEDs) und implantierbare Kardioversionsdefibrillatoren (ICDs) ein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein ICD als all jene IMDs umfassend zu verstehen, die wenigstens über Hochspannungs-Kardioversions- oder -Defibrillationsmöglichkeiten verfügen. Bei den allermeisten IMDs sind Energie, Volumen, Dicke und Masse kritische Merkmale. Die Batterie(n) und die für hohe Spannungen ausgelegten Kondensatoren, die verwendet werden, um die für die wirksame Kardioversions/Defibrillations-Therapie erforderliche Energie bereitzustellen und zu akkumulieren, sind in der Vergangenheit verhältnismäßig massig und aufwändig gewesen.
Die Erfindung schafft verbesserte Kondensatorherstellungsverfahren und -vorrichtungen wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert, wobei eine Vorbehandlung von Ventilmetall-Anoden verschiedene komplizierte Anodenformen liefert und eine freie Zirkulation von flüssigem Elektrolyt in, durch und um die Anode herum fördert. Eine solche Vorbehandlung umfasst eine formgebende Bearbeitung einer Anode und ein Schaffen von Oberflächen- und Innenraummerkmalen (z. B. Durchgangslöcher, Öffnungen, Bohrungen, Tunnel, Kanäle, unregelmäßige Oberflächenmerkmale und dergleichen), um das zur Verfügung zu stellen, was hier als fortschrittliche Ventilmetall-(AVM)Anoden bezeichnet ist. Das Vorbehandeln von AVM-Anoden vor der Bildung von Oxid auf den Außenflächen und den freiliegenden Innenflächen einer gepressten und gesinterten Anode sorgt für robuste, kompakte AVM-Kondensatoren für IMDs. Die Erfinder erkannten, dass ein Formieren von Ventilmetall-Anoden bis zu hohen Spannungen, größer als etwa 200 V, häufig Strukturfehler der Anode zur Folge hat, und dass die einzigartig geformten Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung überlegene Anoden für hohe Spannungen abgeben.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine verbesserte Zirkulation des flüssigen Elektrolyts – sowohl des Formationselektrolyts als auch des Betriebselektrolyts. Infolge der verbesserten Elektrolytzirkulation (einschließlich der Elektrolytauffrischung während der Formation) kann die Wirkenergiedichte des Kondensators erhöht werden (z. B. durch Ändern der Anodenporosität). Die vorliegende Erfindung bietet Vorteile, insbesondere im Vergleich zu Kondensatoren und Verfahren zum Herstellen, Formieren und Betreiben von Kondensatoren des Standes der Technik, in Verbindung mit sowohl IMDs wie etwa ICDs als auch anderen medizinischen Vorrichtungen, die einen oder mehrere für hohe Spannungen ausgelegte Kondensatoren häufig laden und therapeutisch entladen, wie sie in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt werden können. Die AVM-Anoden der vorliegenden Erfindung können so gestaltet sein, dass sie die Packungseffizienz einer IMD optimieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung können perforierte und nicht perforierte AVM-Anoden mit komplizierten und unregelmäßigen geometrischen Formen auf eine effiziente Weise geschaffen werden, die die Gesamtpackungseffizienz kompakter IMDs, wie etwa ICDs, erhöht. Solche AVM-Anoden können so geformt sein, dass sie ein oder mehrere lang gestreckte Katodenelemente aufnehmen, wobei die Oberflächen- oder Innenraummerkmale der AVM-Anode der Form des Katodenelements bzw. der Katodenelemente entsprechen.
Die Erfinder entdeckten, dass die Elektrolytzirkulation (oder -auffrischung) verbessert wird, wenn vor der Formation eine Anordnung von Durchgangslöchern (z. B. Kanäle, Mündungen oder Öffnungen) in eine Anodenstruktur aus gepresstem und gesintertem Pulver eingebracht wird. Die Durchgangslöcher können eine willkürliche Querschnittsform aufweisen, die wahlweise eine Fluidkopplung oder -verbindung zwischen gegenüberliegenden oder benachbarten Außenflächen der Anode herstellt. Solche Durchgangslöcher in der Anode sind ein wenig dem menschlichen Gefäßsystem ähnlich, bei dem für eine bestmögliche Zirkulation von einer Fluidquelle ausgehend Gefäße von immer kleinerem Durchmesser benutzt werden.
Außerdem entdeckten die Erfinder, dass sowohl bei Anoden vom gesinterten Typ als auch bei Anoden vom Folienätz-Typ die poröse Elektrodenstruktur die Bewegung von Ionen innerhalb des Elektrolyts, die erforderlich ist, um den elektrischen Stromkreis zwischen der Anode und der Katode zu schließen, einschränkt. Demzufolge nimmt der Ersatz-Reihenwiderstand (ESR) des Kondensators zu, wenn bei einem Versuch, die Wirkenergiedichte des Kondensators zu erhöhen, die Anodendicke vergrößert wird. Das Einbringen einer Anordnung von Durchgangslöchern in die Stirn- oder Seitenflächen des Anodenblocks (oder Stapels geätzter Folien) verbessert den Ersatz-Reihenwiderstand (d. h. verringert den ESR).
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Oberflächenmerkmale und Durchgangslöcher während oder nach dem Pressen einer Roh-AVM-Anode manuell oder automatisch ausgebildet werden oder es können einige während des Pressens und einige im Anschluss an das Pressen der AVM-Anode in eine gewünschte Form oder Dichte eingebracht werden. Außerdem können einige oder alle der derartigen Merkmale und Durchgangslöcher nach dem Sintern einer gepressten Anode eingebracht werden. Die Merkmale und/oder Durchgangslöcher können im Inneren verschiedene Komponenten oder Materialien aufnehmen, beispielsweise ein Material, das flüssigen Elektrolyt absorbiert, ein Katodenmaterial, ein metallisches Pulver mit einer relativ verschiedenen Dichte und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung macht sich die geringe Größe und die Formanpassungsfähigkeit von Sintermetallanoden zunutze, sodass höchst kompakte und ergonomische IMDs hergestellt werden können. Verglichen mit flachen Elektrolytkondensatoren (FECs: Flat Electrolytic Capacitors (engl.)) aus Aluminiumblech, die mehrere hundert Einzelteile und Komponenten aufweisen und – damit einhergehend – komplexe Fertigungsprozesse erfordern, weisen AVM-Elektroden wenige Teile und verhältnismäßig einfache Fertigungsprozesse auf. Beginnend mit verhältnismäßig reinem Sintermetall (oft ein Bindemittel enthaltend) umfasst ein Herstellungsverfahren für AVM-Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung das Pressen des Pulvers bis zu einer gegebenen Pressdichte und in eine gewünschte Form, das Waschen der gepressten Anode, das Sintern der Anode (bei ungefähr 1300 bis 1450 Grad Celsius in einer Atmosphäre mit vermindertem Druck), das Waschen der Anode, das An lassen der Anode (bei 350 Grad Celsius in Frischluft) und das Nachformieren der Anode (um Oxidverformungen vom Anlassschritt auszuheilen).
Eine große Vielfalt von perforierten und porösen AVM-Anoden gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bietet: (i) ein verbessertes Temperaturverhalten (während der Anodenformation), (ii) einen verminderten ESR (besonders wichtig während des Betriebs einer AVM-Anode in einer IMD), (iii) integrierte, ineinandergreifende Anoden-Katoden-Elemente (hohe Kapazität, isolierte Katodenstäbe, die in wenigstens einige der Perforationen eingesetzt sind) und (iv) eine verbesserte Herstellbarkeit auf Grund der Einfachheit der Ausrichtung von Anoden- und Katodenelementen während der Herstellung von Kondensatoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden geschätzt werden, sowie dieselbe anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden wird, wenn diese zusammen mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, überall in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu; sie ist lediglich für einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung repräsentativ. Weitere Ausführungsformen, die eindeutig im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind, werden dem Fachmann ohne weiteres offensichtlich sein, wobei jede derartige Ausführungsform hierdurch abgedeckt und nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblocks bzw. -rohlings, der eine willkürliche Form und einer Reihe von Durchgangslöchern, die in einer Hauptseitenfläche des Anodenblocks ausgebildet sind, aufweist, wobei ein Leitungsdraht mit dem Anodenblock elektrisch koppelt.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblocks mit einer willkürlich gewölbten Form und einer Reihe von Durchgangslöchern unterschiedlicher Form, die sowohl in einer Hauptseitenfläche als auch einer Deckfläche des Anodenblocks ausgebildet sind, wobei ein Leitungsdraht mit dem Anodenblock elektrisch koppelt.
3 ist ein Aufriss einer Nebenseitenfläche eines gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblocks mit einer Reihe von darin ausgebildeten Öffnungen.
4 ist eine kombinierte perspektivische Ansicht einer mehrschichtigen, lang gestreckten Katodenstruktur mit hoher Kapazität, die dafür eingerichtet ist, in ein Durchgangsloch einer vollständig ausgebildeten Ventilmetall-Anode eingesetzt zu werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht mit einigen auseinandergezogenen Teilen, die drei mehrschichtige, lang gestreckte Katodenstrukturen mit hoher Kapazität zeigt, die auf drei Durchgangslöcher ausgerichtet sind, die in einer Folienstapel-Anodenstruktur ausgebildet sind (wobei wahlweises Trennmaterial nicht dargestellt ist).
6a bis d sind perspektivische Ansichten eines Kondensatorgehäuses oder einer Kondensatorumhüllung; einer gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellten und formierten Anode, an die ein Leitungsdraht gekoppelt ist; eines Trennmaterials bzw. einer Katode.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein willkürlich krummliniges Anodenelement zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert ist.
8 ist eine Querschnittansicht mit auseinandergezogenen Teilen von einigen Durchgangslöchern eines Anodenelements, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert ist, und mit mehrschichtigen Katodenelementen, die auf ein entsprechendes Durchgangsloch ausgerichtet dargestellt sind.
9 ist eine Querschnittansicht, die alternative Ausführungsformen für Durchgangslöcher eines Anodenelements (und wenigstens ein Sackloch) zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind.
10 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Paar Katodenelemente orthogonal in Bezug auf eine Gruppe von Anodenelementen angeordnet ist und wobei einige der Anodenelemente gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind.
11 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Paar Katodenelemente im Wesentlichen parallel in Bezug auf einen Stapel Anodenelemente angeordnet ist und wobei einige der Anodenelemente gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind und wobei wenigstens eines der Anodenelemente in Bezug auf benachbarte Anoden geriffelt ist.
12 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Kondensatorbaueinheit zeigt, die ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestelltes und formiertes Anodenelement umfasst, das an ein Katodenelement angrenzend angeordnet ist, welches mechanisch und elektrisch an ein Gehäuse oder eine Umhüllung gekoppelt ist, wobei die Umhüllung die Kondensatorbaueinheit hält.
13 ist eine Querschnittansicht einer Anodenbaueinheit, die auf eine Katodenanordnung ausgerichtet, jedoch von dieser beabstandet ist, wobei die Katodenanordnung an ein Basisteil gekoppelt ist, das ein Gehäuse oder eine Umhüllung für eine Kondensatorbaueinheit umfassen kann.
14 ist eine Ansicht im Querschnitt, die einen Teil eines mehrschichtigen Anodenelements zeigt, das eine mittige Schicht hoher Dichte, eine erste Schicht mittlerer Dichte, welche an die mittige Schicht angrenzt und diese im Wesentlichen umgibt, und eine zweite Schicht geringster Dichte, die an die erste Schicht angrenzt und diese im Wesentlichen umgibt, aufweist.
15 zeigt einen Abschnitt eines Anodenelements mit einem graduellen Dichtegradienten von einem Mittelabschnitt zu einem Umfangsabschnitt, wobei der Mittelabschnitt die höchste Dichte aufweist und der Umfangsabschnitt eine geringere Dichte aufweist.
16 zeigt einen Abschnitt eines Anodenelements, das einen weniger graduellen Dichtegradienten als der in 15 dargestellte Abschnitt aufweist, derart, dass ein größerer Mittelabschnitt die höchste Dichte und ein kleinerer Umfangsabschnitt eine geringere Dichte als der Mittelabschnitt aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft neuartige Techniken, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Struktur beim Herstellen und Betreiben von kompakten, für hohe Spannungen, eine hohe Kapazität und eine hohe Energiedichte ausgelegten AVM-Anoden. Wie hier noch ausführlicher be schrieben wird, verschaffen verschiedene Ausführungsformen und Formen der vorliegenden Erfindung deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Außerdem ist, obwohl hier nur einige Ventilmetalle, die für eine Verwendung in Verbindung mit IMDs bekannt sind, ausführlich beschrieben sind, die Erfindung nicht in der Weise beschränkt. Beispielsweise kann ein beliebiges Ventilmetall verwendet werden, wenn die vorliegende Erfindung ausgeübt wird, wie auch andere, von Ventilmetallen verschiedene Materialien wie etwa Keramikwerkstoffe mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten (z. B. 12 bis 400 000) verwendet werden können. Als Beispiele und ohne Einschränkung können die folgenden Materialien verwendet werden: Tantal, Niob, Aluminium, Zink, Magnesium, Zirconium, Titan, Hafnium, Palladium, Iridium, Ruthenium, Molybdän einschließlich Verbindungen und/oder Legierungen davon. Vorzugsweise sollte sich jedes der vorangehenden Materialien für eine genaue, berechenbare Steuerung der Oxiddicke während der Formation eignen, und die resultierenden Oxide sollten dicht, fest haftend und elektrisch isolierend sein sowie eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Schließlich kann, obwohl die vorliegende Erfindung in erster Linie mit Bezug auf Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyt beschrieben ist, gemäß der vorliegenden Erfindung Feststoffelektrolyt benutzt werden.
Bei der Anodenvorbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung können die Perforationen, Öffnungen und dergleichen, die in dem Anodenblock ausgebildet werden, eine geometrische, konische, unregelmäßige und/oder schlängelnde Form(en) aufweisen und können orthogonal zu einem lokalen Außenflächenbereich der Anode oder unter einem Winkel zu dem Oberflächenbereich ausgebildet sein. Die Perforationen, Öffnungen und dergleichen können andere unter der Oberfläche der Anode schneiden; jedoch werden sich solche Öffnungen wahrscheinlich nur dazu eignen, ein einzelnes Katodenelement aufzunehmen. In einer erstrebenswerten Ausführungsform sind in dem Anodenblock mehrere Sackbohrungen (d. h. Öffnungen oder Bohrungen, die nicht zwei Oberflächen der Anode verbinden) ausgebildet.
Die Erfinder führten Versuche durch, die offenbarten, dass Tantal-AVM-Anoden mit darin ausgebildeten Durchgangslöchern für etwa 220 V bis 275 V in weniger als etwa 30 Stunden vollständig formiert werden. Die resultierende Dicke des dielektrischen Tantalpentoxids beträgt ungefähr 450 nm. Dies ist sehr vorteilhaft, verglichen mit der Zeit, die für die Formation von üblichen gepressten und gesinterten Tantalanoden erforderlich ist, die üblicherweise über etwa 100 Stunden benötigen, bevor sie für eine hohe Spannung vollständig formiert sind. Die gemäß der vorliegenden Erfindung gestalteten, hergestellten, formierten und betriebenen perforierten AVM-Elektroden bilden Metalloxide einfach schneller und zuverlässiger als frühere Anodenausführungen.
Versuche haben einen verminderten ESR für gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Kondensatoren bewiesen. Typisch kann der ESR von AVM-Anoden um ungefähr fünfzig Prozent (50%) im Vergleich zu Kondensatoren des Standes der Technik vermindert sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass der Formationsprozess für solche Anoden typisch zwei- bis dreimal (2x–3x) schneller ist und im Vergleich zu existierenden Ventilmetall-Anoden der Ersatz-Reihenwiderstand (ESR) ungefähr die Hälfte (50%) beträgt. Die vorliegende Erfindung vermeidet Schwierigkeiten, auf die gestoßen wird, wenn eine hohe Spannung (z. B. 200 Volt) während des Anodisierens von verhältnismäßig dicken (z. B. mit einer Dicke größer als 3 mm) AVM-Elektroden anliegt. Diese Schwierigkeiten schließen einen häufigen Ausfall des Material durch, zumindest teilweise, eine zwischen inneren offenen Räumen der gesinterten AVM-Anode und dem Formationselektrolyt ungleiche Wärmeableitung ein, die Anodenbrüche zur Folge hat.
Die AVM-Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung sind besonders für eine Verwendung mit einem Nasselektrolyt geeignet, obwohl verschiedene Feststoffelektrolytmaterialien erfolgreich verwendet werden können. Die AVM-Anoden umfassen vorzugsweise ein gesintertes Element (d. h. eine kohärente Materialmasse, durch Erwärmen, jedoch nicht Schmelzen, des Materials produziert), das aus metallischem Pulver geformt ist. Tantal-, Niob- oder kombinierte Tantal/Niob-Pulver werden bevorzugt, obwohl auch andere Ventilmetall-Pulver verwendet werden können. Um Anodenelemente gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird ein gewähltes metallisches Pulver in eine ausgewählte Form oder Gestalt gepresst und dann bei Unterdruck auf ungefähr 1500 Grad Celsius erhitzt. Obwohl bei den meisten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Vorbehandlung im Anschluss an das Pressen, aber vor dem Sintern eines Anodenblocks aus pulvrigem Ventilmetall stattfindet, kann wahlweise der Anodenblock nach dem Sintern, aber vor dem Anodisieren perforiert (d. h. vorbehandelt) werden, wie hier noch weiter beschrieben wird.
In jedem Fall wird gemäß der vorliegenden Erfindung der gesinterte (und perforierte) Anodenblock in Gegenwart einer Quelle elektrischen Potentials (d. h. für ein Anodisieren) in einen flüssigen Elektrolyt eingetaucht. Obwohl außerhalb des Rahmens der Lehre der vorliegenden Erfindung, ist solch ein Anodisieren erforderlich, um eine ausreichende Tiefe des Oxids auf der Anodenoberfläche auszubilden.
Wie dem Fachmann bekannt ist, kann der Betrag des elektrischen Potentials abweichen, obwohl ungefähr zweihundert Volt bevorzugt verwendet werden. Dadurch wächst auf allen freiliegenden Oberflächen des perforierten gesinterten Blocks ein Oxidationsfilm. Für die angestrebten Anwendungen in einer medizinischen Vorrichtung (z. B. ICDs) muss dieser Oxidationsfilm wenigstens eine Dicke von ungefähr einem halben (1/2) Mikrometer erreichen, was ungefähr 200 Volt entspricht, obwohl ein Potential von 250 Volt oder einem größeren Betrag angelegt werden kann.
Die vorbehandelten Anoden gemäß der vorliegenden Erfindung nutzen vorzugsweise ein verbessertes Verfahren zum Anodisieren, das in der gleichzeitig anhängigen, nichtvorläufigen Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 10/058,437, eingereicht am 28. Januar 2002 (Aktenzeichen P-10320.00) durch Joachim Hossick-Schott, und dem Titel "Methods of Anodizing Valve Metal Electrodes" beschrieben ist.
In dieser Anmeldung ist ein erfinderisches Verfahren offenbart, wobei die Anode durch die folgenden Schritte anodisiert wird: Eintauchen der gepressten Ventilmetall-Anode in einen anodisierenden Elektrolyt, um die Anode zu benetzen und ein Anoden-Elektrolyt-System zu schaffen, und Unterwerfen des Anoden-Elektrolyt-Systems einem Potential, das von einem Anfangspotential zu einem Sollpotential auf eine impulsförmige Art hochläuft, wodurch sowohl der Formationsstrom als auch das Formationspotential auf eine impulsförmige Art an die Anode abgegeben werden. Die Impulsbreite der angelegten Impulse wird vorzugsweise in dem Maß verringert, wie das Formationspotential zunimmt. Die Impulsbreite der anliegenden Impulse ist vorzugsweise als die relative Einschaltdauer der Formationspotential-Impulse definiert. Die relative Einschaltdauer kann von einhundert Prozent (100%) in der Betriebsart mit niedrigem Formationspotential auf nur ein Prozent (1%) in der Nähe des Soll-Formationspotentials abnehmen. Nach Erreichen des Soll-Formationspotentials werden die Potentialimpulse mit einer Impulshöhe, die dem Soll-Formationspotential gleich ist, vorzugsweise für eine Haltedauer, bis die Amplitude der Stromimpulse klein wird, angelegt. Was die Katode für gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Kondensatoren betrifft, so können die Katoden von dem Gehäuse oder der Umhüllung, das bzw. die den Kondensator umgibt, elektrisch isoliert sein oder elektrisch und/oder physikalisch mit der Umhüllung verbunden sein. In einer Ausführungsform umfasst die Katode wenigstens ein lang gestrecktes Element mit einem Kern, einer den Kern umgebenden Beschichtung mit hoher Kapazität und einer nichtleitenden Beschichtung, die die Beschichtung mit hoher Kapazität umgibt. Eine Öffnung der Anode ist folglich so gestaltet, dass sie das lang gestreckte Katodenelement aufnimmt, wodurch sich ein kompakter, integrierter Kondensator ergibt. Anschließend kann ein elektrisch leitender Leitungsdraht an die Umhüllung oder an einen separaten Katoden-Durchführungsdraht angeschlossen werden. Das heißt, die Katode kann mit der Umhüllung elektrisch gekoppelt sein. Eine Form dieser Ausführungsform umfasst eine Anordnung von Öffnungen (und/oder Sackbohrungen), die in der Anode ausgebildet sind, und eine entsprechende Anordnung von Katodenelementen. Bei einer Ausführungsform mit in der Anode ausgebildeten Sackbohrungen sind die lang gestreckten Katodenelemente vorzugsweise auf allen Seiten, die an das Anodenmaterial angrenzen, mit einem Material mit hoher Kapazität beschichtet (d. h. die Seiten und Endabschnitte, die in die Sackbohrung eingebracht werden, sollten alle beschichtet sein). Im zusammengekoppelten Zustand hat eine kompakte kapazitive Struktur den zusätzlichen Vorteil einer einfachen Montage zur Folge, da sich die Katodenanordnung leicht auf die Anodenöffnungen ausrichten lässt. Diese Form der Erfindung kann mit einem einzelnen gesinterten Anodenblock oder mit zwei (oder mehreren) dünnen Folien aus Ventilmetallmaterial (wobei auf jeder davon ein stabiles Oxid ausgebildet ist) ausgeübt werden. Selbstverständlich sollte, wenn dünne Folie verwendet wird, eine Trennlage (oder andere Isoliermaterialien) zwischen einer Anode und einer Katode, die benachbart sind, eingefügt werden.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung können wenigstens zwei pulvrige Ventilmetallmaterialien mit jeweils einer anderen Dichte (und/oder auf eine verschiedene Pressdichte gepresst) verwendet werden. Als eine Variation dieser Form der Erfindung kann der Pulverzusammensetzung vor dem Pressen der Anode ein Fasermaterial, ein Cellulosematerial oder ein anderes verhältnismäßig elastisches Material beigemischt werden. Solches Material sollte imstande sein, eine Kompression während des Pressens der Anode auszuhalten, ohne weiteres entfernbar sein (z. B. sich in einem Fluid lösen und/oder während des Sinterns vollständig verbrennen) und mit flüssigem Elektrolyt wirksam durchtränkt sein. Solches Material kann vorteilhaft vor dem Pressen rings um die Umfangsabschnitte der Rohanode angeordnet und vor der Formation entfernt werden, um die Zirkulation des Formations- und Betriebselektrolyts noch weiter zu fördern. Selbstverständlich kann solches Material im Wesentlichen homogen über die Anodenstruktur verteilt sein, während immer noch Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung geboten werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Anodenbaueinheit 10 mit einem gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblock 11, der eine willkürliche Form und eine Reihe von Durchgangslöchern 12, die in einer Hauptfläche 17 des Anodenblocks 11 ausgebildet sind, aufweist, wobei ein Leitungsdraht 14 den Anodenblock 11 an eine (nicht gezeigte) externe elektrische Schaltung elektrisch koppelt. Der Darstellung nach scheinen die Durchgangslöcher 12 einen kreisförmigen Querschnitt zu haben und zufällig über die Hauptfläche 17 verteilt zu sein. Jedoch können die Durchgangslöcher eine beliebige geeignete geometrische Form besitzen und von gleichem Querschnitt sein oder können sich im Querschnitt unterscheiden, wie der Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, verstehen wird.
Die Hauptfläche 17 (und die gegenüberliegende Hauptfläche – nicht dargestellt) des in 1 dargestellten Anodenblocks 11 weist eine im Wesentlichen ebene Hauptfläche 17 auf, die auf einer Seite in einem Abschnitt mit gerader Kante endet und auf einer zweiten Seite bei einer gleichmäßig gekrümmten Umfangskante endet. Die besondere Form eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Anodenblocks 11 kann jedoch willkürlich sein, um eine besondere gewünschte Form anzunehmen und/oder um das Volumen des Anodenblocks 11 bezüglich der anderen Teile einer integrierten Vorrichtung wie etwa einer IMD zu minimieren.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Anodenbaueinheit 10, die einen gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblock 11 mit einer willkürlich gewölbten Form und einer Reihe von Durchgangslöchern 12 unterschiedlicher Form, die sowohl in einer Hauptseitenfläche 17 als auch einer kleineren Deckfläche 19 des Anodenblocks 11 ausgebildet sind, umfasst, wobei ein Leitungsdraht 14 elektrisch an den Anodenblock 11 koppelt. Obwohl in 2 die Durchgangslöcher 12 verschiedene geometrische Formen haben und auf zufällige Weise rings um den Anodenblock 11 verteilt sind, können sie einen einheitlichen Querschnitt haben und in Bezug auf jedes andere Durchgangsloch gleichmäßig verteilt sein. Außerdem ist die Hauptfläche 17 des Anodenblocks 11 als eine im Wesentlichen gleichmäßig gewölbte Form aufweisend gezeigt, aber der Anodenblock 11 kann unzählige andere willkürli che Formen annehmen. Er kann in fast jede willkürliche Form gepresst werden. Beispielsweise kann ein Gegenpaar zusammenwirkender Formhälften mit einer darin ausgebildeten spiegelbildlichen Geometrie verwendet werden, um den Anodenblock 11 in eine gewünschte Form zu pressen. Die Formhälften können konvexe, konkave, unregelmäßige, gewölbte oder geometrische Merkmale aufweisen, die darin ausgebildet sind, um dem Anodenblock 11 eine gewünschte Form zu verleihen. Eine der Formhälften kann oder beide Formhälften können ein oder mehrere lang gestreckte Elemente aufweisen, wie etwa einen Schaft, einen Pflock, einen Stift oder dergleichen, um ein oder mehrere Durchgangslöcher 12 in den Anodenblock 11 zu formen. Variationen des Vorangegangenen werden ausdrücklich als durch die Lehre der vorliegenden Erfindung abgedeckt erachtet. Falls ein im Wesentlichen ebenes Katodenelement (nicht gezeigt) benutzt wird, sollten solche willkürlichen Formen jedoch vorzugsweise im Wesentlichen parallele Oberflächen aufweisen, um die Energiedichte des resultierenden Kondensators zu maximieren. Wie sich mit Bezug auf 4 und 5 bewusst gemacht werden kann, benutzen bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine ebenen Katodenelemente und sind folglich von der Form solcher Kondensatoren unabhängig. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Reihe von lang gestreckten Katodenbaueinheiten verschiedener Länge, auf denen Material mit hoher Kapazität angeordnet (und von dem Anodenblock 11 elektrisch isoliert) ist, verwendet werden.
3 ist ein Aufriss einer Nebenseitenfläche eines gepressten und gesinterten Ventilmetall-Anodenblocks 11 mit einer Reihe von Öffnungen 12, die an einer Nebenfläche 19 davon ausgebildet sind. Die in 3 gezeigten Öffnungen 12 sind in einer linearen Anordnung mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand dazwischen.
4 ist eine kombinierte perspektivische Ansicht einer mehrschichtigen, lang gestreckten Katodenbaueinheit 20 mit hoher Kapazität, die dafür eingerichtet ist, in ein Durchgangsloch 12 einer vollständig ausgebildeten Ventilmetall-Anode 11 eingesetzt zu werden. Die Katodenbaueinheit 20 umfasst ein Kernelement 22, das von einer Schicht aus Material 24 mit hoher Kapazität umgeben ist, die wiederum mit einem elektrisch isolierenden Trennmaterial 18 bedeckt ist. Obwohl, wie in 4 dargestellt ist, die Katodenbaueinheit 20 wie ein gleichmäßiger Schaft anmutet, kann sie (und auch der Kern 22) viele verschiedene Formen annehmen. Die Katodenbaueinheit 20 ist dafür vorgesehen, in ein Durchgangsloch 12 eingesetzt zu werden, dessen Form ungefähr jener der Katodenbaueinheit 20 entspricht. Die Katodenbaueinheit 20 kann vollständig oder teilweise in ein gegebenes Durchgangsloch 12 eingesetzt sein, und eine Anordnung von solchen Katodenbaueinheiten 20 kann eine gemeinsame Konfiguration oder unterschiedliche Konfigurationen aufweisen. Ein erstrebenswertes Material 24 mit hoher Kapazität ist eine Schicht aus Kohlenstoff (und/oder einem Titancarbid) oder ein Rutheniumoxidfilm, die bzw. der den Kern 22 formt oder bedeckt, welcher, wie in 4 gezeigt ist, aus einem Titanstab bestehen kann. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die solch eine Katodenbaueinheit 20 benutzen, ist es nicht erforderlich, dass in jedes Durchgangsloch 12 eine entsprechende Katodenbaueinheit 20 eingesetzt ist. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann nämlich sowohl eine Kombination aus herkömmlichen ebenen Katodenbaueinheiten als auch eine diskrete Gruppe von Katodenbaueinheiten 20 bei einem einzigen Kondensator verwendet werden. Obwohl in 4 eine oder mehrere Katodenbaueinheiten 20 dargestellt sind, kann eines oder können mehrere der Durchgangslöcher 12 leer bleiben oder mit einem Material, das absorbiert (z. B. mit Dochten) und/oder flüssigen Elektrolyt speichert (z. B. ein Vliesmaterial, eine Zellulosefaser, ein Papier oder dergleichen) gefüllt sein. Zusätzlich dazu oder stattdessen können die Durchgangslöcher 12 mit einem metallischen Pulver anderer Korngröße oder Abmessungen gefüllt sein. Das metallische Pulver kann auf Wunsch vor oder nach dem Ausführen eines Sinterschritts in ein Durchgangsloch 12 gepackt oder gepresst werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht mit einigen auseinandergezogenen Teilen, die drei mehrschichtige, lang gestreckte Katodenstrukturen 20 mit hoher Kapazität zeigt, die auf drei Durchgangslöcher 12 ausgerichtet sind, die in einer Folienstapel-Anodenbaueinheit 10 ausgebildet sind (wobei wahlweises Trennmaterial nicht dargestellt ist). Außerdem koppelt ein lang gestreckter Leiter 28 die Katodenbaueinheiten 20 miteinander. Anstelle solch eines lang gestreckten Leiters 28 kann der Kern 22 der Katodenbaueinheit 20 an ein elektrisch leitendes Gehäuse oder eine elektrisch leitende Umhüllung (nicht gezeigt) elektrisch (und wahlweise mechanisch) gekoppelt sein. Obwohl in 5 zur einfacheren Bezugnahme nur drei Katodenbaueinheiten 20 dargestellt sind, können bei einer gegebenen Kondensatoranwendung viel mehr benutzt werden. Da die Katodenbaueinheiten 20 jeweils einzeln von der Anodenbaueinheit 10 isoliert sind, ist für diese besondere Ausführungsform der Erfindung keine Trennschicht 18 (noch anderes dielektrisches Material) erforderlich. Dabei kann auch ein einziger Anodenblock 11 anstelle der in 5 dargestellten Folienstapel-Anodenbaueinheit 10 verwendet werden. Außerdem und wie hier noch ausführlicher beschrieben wird, kann bzw. können dann, wenn eine Folienstapel-Baueinheit 10 verwendet wird, einer oder mehrere der einzelnen Folienstreifen 11 gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitet werden, um die Zirkulation des Elektrolyts ringsherum zu verbessern.
Techniken zur Verbesserung einer solchen Zirkulation schließen das Bohren, Ätzen, Stanzen und weitere Techniken, um den Folienstreifen 11 poröser zu machen, ein.
6a bis d sind perspektivische Ansichten eines zweiteiligen, elektrisch leitenden Kondensatorgehäuses oder einer Kondensatorumhüllung bzw. -büchse 30 (wobei die Gegenseite 32 nicht dargestellt ist); einer Anode 11 mit Durchgangslöchern 12, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert ist, wobei ein Leitungsdraht 14 daran gekoppelt ist; eines Trennmaterials 18 bzw. einer Katode 20. 6a bis d zeigen eine bevorzugte Konfiguration für eine Kondensatorbaueinheit, die für eine Verwendung im Zusammenhang mit einer IMD geeignet ist. Die Katodenbaueinheit 20 ist bei dieser Ausführungsform herkömmlich ausgeführt; d. h. dass eine Titanfolie ein darauf ausgebildetes dünnes Oxid (wie etwa Rutheniumoxid) aufweist. Die Katodenbaueinheit kann elektrisch und/oder mechanisch mit der Umhüllung 30 (oder 32) verbunden sein, und die Trenneinrichtung 18 ist zwischen der Anodenbaueinheit 10 und der Katodenbaueinheit 20 eingefügt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein willkürlich krummliniges Anodenelement 11 zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert ist. In 7 weist das Anodenelement 11 mehrere Durchgangslöchern 12 auf, die durch benachbarte Hauptflächen 17 hindurch ausgebildet sind. Die mit Bezug auf 4 beschriebenen und dargestellten lang gestreckten Katodenbaueinheiten 20 sind für eine Verwendung zusammen mit der Anode 11 geeignet, obwohl es zu bevorzugen ist, dass die Katodenbaueinheiten 20 eine Längenabmessung aufweisen, die genau der Tiefe des Durchgangslochs 12, in das die Katodenbaueinheit 20 eingesetzt werden soll, entspricht.
8 ist eine Querschnittansicht mit auseinandergezogenen Teilen von einigen Durchgangslöchern 12 eines Anodenelements 11, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und geformt bzw. formiert ist, und mit mehrschichtigen Katodenelementen 20, die auf ein entsprechendes Durchgangsloch 12 ausgerichtet dargestellt sind.
9 ist eine Querschnittansicht, die alternative Ausführungsformen für Durchgangslöcher 12 eines Anodenelements 11 (und wenigstens ein Sackloch 12) zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind.
10 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Paar Katodenbaueinheiten 20 orthogonal in Bezug auf eine Gruppe von Anodenelementen 11 angeordnet ist und wobei einige der Anodenelemente 11 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind.
11 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Paar Katodenbaueinheiten 20 im Wesentlichen parallel in Bezug auf einen Stapel von Anodenelementen angeordnet ist, umfassend eine Anodenbaueinheit 10, wobei einige der Anodenelemente 11 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und formiert sind und wobei wenigstens eines der Anodenelemente 11 in Bezug auf benachbarte Anoden 11 geriffelt ist. In 11 ist wenigstens eine der Katodenbaueinheiten 20 nicht besonders lang gestreckt, sondern kann vielmehr im Wesentlichen wie ein einzelner Kegel oder ein Rippenelement geformt sein.
12 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Kondensatorbaueinheit zeigt, die ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestelltes und formiertes Anodenelement umfasst, das an ein Katodenelement grenzend angeordnet ist, welches mechanisch und elektrisch an ein Gehäuse oder eine Umhüllung gekoppelt ist, wobei die Umhüllung die Kondensatorbaueinheit hält.
13 ist eine Querschnittansicht einer Anodenbaueinheit 10, die auf eine Katodenanordnung 20 ausgerichtet, jedoch von dieser beabstandet ist, wobei die Katodenanordnung 20 an ein Basisteil 30, 32 gekoppelt ist, das ein Gehäuse oder eine Umhüllung für eine Kondensatorbaueinheit umfassen kann.
14 ist eine Ansicht im Querschnitt, die einen Teil eines mehrschichtigen Anodenelements 10 zeigt, das eine mittige Schicht 11''' hoher Dichte, eine erste Schicht 11'' mittlerer Dichte, welche an die mittige Schicht 11''' angrenzt und diese im Wesentlichen umgibt, und eine zweite Schicht 11' geringster Dichte, die an die erste Schicht 11'' angrenzt und diese im Wesentlichen umgibt, aufweist. Obwohl dies nicht dargestellt ist, können die erste Schicht 11'' und die zweite Schicht 11' von einer Dicke sein, die von jener der mittigen Schicht 11''' verschieden ist. Außerdem umgeben die erste Schicht 11'' und die zweite Schicht 11' vorzugsweise die mittige Schicht 11''' vollständig, sodass der Haupttransportweg für Elektronen, die sich anfangs auf einem Oberflächenabschnitt der mittigen Schicht 11' befinden, in Bezug auf den nächstgelegenen Ort der Außenfläche der zweiten Schicht 11' im Wesentlichen gleich ist. Die entsprechenden Abschnitte der Schichten, auf gegenüberliegenden Seiten des mittigen Abschnitts 11''' angeordnet, sind vorzugsweise miteinander gekoppelt. Selbstverständlich können mehr als drei Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht sein.
15 zeigt einen Abschnitt eines Anodenelements 10 mit einem graduellen Dichtegradienten von einem Mittelabschnitt 11''' zu einem Umfangsabschnitt 11', wobei der Mittelabschnitt 11''' die höchste Dichte aufweist und der Umfangsabschnitt 11' eine geringere Dichte aufweist.
16 zeigt einen Abschnitt eines Anodenelements 10, das einen weniger graduellen Dichtegradienten als der in 15 dargestellte Abschnitt aufweist, derart, dass ein größerer Mittelabschnitt 11''' die höchste Dichte und ein kleinerer Umfangsabschnitt 11' eine geringere Dichte als der Mittelabschnitt 11''' aufweist. In den in 15 und 16 dargestellten Ausführungsformen ist ein im Wesentlichen linearer gradueller Dichtegradient bzw. ein weniger linearer Dichtegradient dargestellt.
Die sich ändernden Dichtecharakteristiken der entsprechenden Abschnitte des Anodenelements 10 in 14 bis 16 können auf verschiedene Weise erreicht werden. Beispielsweise kann Granulatmaterial, das in Wasser oder einer anderen wässrigen Lösung löslich ist, dem pulvrigen Ventilmetall vor dem Pressen beigemischt werden. Dann kann das rohe, gepresste Anodenelement 10 gespült werden, um das Granulatmaterial zu entfernen. Auf eine ähnliche Weise können weitere Materialien verwendet werden, wie etwa Granulatmaterialien, die leicht verbrennen, wenn sie erwärmt oder dem Feuer ausgesetzt werden, Materialien, die schmelzen (insbesondere wenn wenig oder kein Rückstand bleibt) und dergleichen. Wie bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mechanische Hilfsmittel verwendet werden, um alle oder einen Teil der dargestellten Anodenelemente zu perforieren oder zu durchbohren. Solche Perforationen oder Bohrungen können das gesamte Anodenelement 10 durchdringen oder können bis zu der mittigen Schicht 11''' eindringen. Der Fachmann wird sicherlich Variationen der beschriebenen und/oder dargestellten Techniken für ein selektives Ändern der Dichte von Abschnitten eines Ventilmetall-Anodenelements 10 erkennen, wobei alle derartigen Variationen hierdurch abgedeckt sein sollen. Beispielsweise kann ein Dichteprofil oder -gradient aus einer unterschiedlichen Größe der Körner des metallischen Materials, einem unterschiedlichen Bindemittel, das in dem pulvrigen metallischen Material enthalten ist, einer unterschiedlichen Pressdichte, die dem Sintermetall verliehen wird, und dergleichen resultieren. Außerdem kann der Pressvorgang einen einzigen Kompressionsschritt bis zu einer einzigen Pressdichte, einen zwei bis drei Stufen umfassenden Kompressionsschritt und/oder einen beschleunigten Kompressionsvorgang umfassen, um dadurch einem Anodenblock eine andere Dichte zu verleihen.
Die folgenden Beispiele sind als verschiedene Beispiele der vorliegenden Erfindung dargelegt und sind als veranschaulichend und nicht den Anwendungsbereich und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beschränkend aufzufassen.
Beispiel 1:
Verfahren zum Herstellen einer Ventilmetall-Anode, das die folgenden Schritte umfasst:
Einbringen eines metallischen Pulvers in einen aufnehmenden Behälter,
Ausüben von Druck auf das metallische Pulver, um eine Rohanode mit einer ersten Pressdichte zu formen;
Entfernen der Rohanode aus dem Behälter;
Entfernen von Teilen der Rohanode;
Sintern der Rohanode;
Einbringen der Rohanode in eine Elektrolytlösung; und
Anlegen eines elektrischen Potentials an die Rohanode, bis sich eine Oxidationsschicht in einer gewünschten Dicke auf freiliegenden Abschnitten der Rohanode formiert.
Beispiel 2:
Verfahren gemäß dem Beispiel 1, wobei der Einbringungsschritt b) ferner umfasst:

b1) Ablagern einer ersten Schicht aus dem metallischen Pulver, die eine erste Dichtecharakteristik aufweist;
b2) Ablagern einer zweiten Schicht aus dem metallischen Pulver, die eine zweite Dichtecharakteristik aufweist, die von der ersten Dichtecharakteristik verschieden ist, auf der ersten Schicht aus metallischem Pulver.

Beispiel 3:
Kondensatorvorrichtung mit:
einem porösen, gesinterten Ventilmetall-Anodenelement mit wenigstens zwei darin ausgebildeten Hohlräumen, das eine Oxidschicht aufweist, die auf freiliegenden Oberflächen des Anodenelements ausgebildet ist, wobei die Ventilmetall-Anode ein Querschnittsdichteprofil aufweist, wobei ein Umfangsabschnitt der Ventilmetall-Anode weniger dicht als ein Mittelabschnitt der Ventilmetall-Anode ist;
einem Leitungsdraht, der mit dem Anodenelement gekoppelt ist;
wenigstens einem Katodenelement, das in elektrischer Verbindung mit dem Anodenelement angeordnet ist; und
einem Gehäusemittel zum Halten des Anodenelements und des Katodenelements.
Beispiel 4:
Ventilmetall-Anode mit hoher Energiedichte, mit:
einem mehrere Schichten mit verschiedener Dichte aufweisenden, porösen, gesinterten Ventilmetall-Anodenelement, das eine Oxidschicht aufweist, die auf freiliegenden Oberflächen des Anodenelements ausgebildet ist, wobei die Ventilmetall-Anode ein Querschnittsdichteprofil aufweist, wobei eine äußerste Schicht weniger dicht als eine mittige Schicht der Ventilmetall-Anode ist; und
einem Leitungsdraht, der mit dem Anodenelement gekoppelt ist.
Beispiel 5:
Anodenelement für eine Kondensatorvorrichtung mit hoher Energiedichte, mit:
einer porösen, gesinterten Ventilmetall-Anodenelementbaueinheit mit einer mittigen Schicht, einer ersten Schicht, welche die mittige Schicht im Wesentlichen umgibt, und einer zweiten Schicht, welche die erste Schicht im Wesentlichen umgibt, wobei die mittige Schicht ein Element mit hoher Dichte umfasst, die erste Schicht ein Element mit geringerer Dichte umfasst und die zweite Schicht ein Element mit der geringsten Dichte umfasst und wobei die mittige, die erste und die zweite Schicht unabhängig voneinander gepresst und gesintert werden und anschließend kombiniert und in einer Formationselektrolytlösung gemeinsam anodisiert werden, sodass auf freiliegenden Oberflächen von jeder der mittigen, der ersten und der zweiten Schicht eine Oxidschicht gebildet wird; und
einem Leitungsdraht, der mit einem Abschnitt des Anodenelements gekoppelt ist.
Beispiel 6:
Anodenelement gemäß dem Beispiel 5, wobei die mittige Schicht, die erste Schicht und die zweite Schicht mehrere Öffnungen aufweisen, die darin ausgebildet und dafür eingerichtet sind, eine ähnliche Anzahl von lang gestreckten Katodenelementen aufzunehmen, die in einer Anordnung sind, wobei der Innenraum der mehreren Öffnungen mit einem elektrisch nichtleitenden Material bedeckt ist, sodass, wenn die lang gestreckten Katodenelemente darin sitzen, das Anodenelement und die mehreren lang gestreckten Katodenelemente nicht in direkter elektrischer Verbindung sind.
Die vorhergehenden besonderen Ausführungsformen sind beispielhaft für ein Anodenformationsverfahren für Anoden, die in Kondensatoren verwendbar sind, insbesondere Kondensatoren, die in eine IMD eingebaut werden – gemäß der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich folglich, dass andere Hilfsmittel, die dem Fachmann bekannt oder hier offenbart sind, verwendet werden können, ohne von der Erfindung oder vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzukommen.

Claims

Elektrolytkondensatorvorrichtung mit hoher Energiedichte, mit: einem porösen bzw. porigen, gesinterten fortschrittlichen bzw. fortgeschrittenen Ventilmetallanodenelement (11) mit wenigstens zwei darin ausgebildeten Hohlräumen (12); einem Leitungsdraht (14), der mit dem Anodenelement gekoppelt ist; wenigstens einem Katodenelement (22), das in elektrischer Verbindung mit dem Anodenelement angeordnet ist; und einem Gehäusemittel zum Halten des Anodenelements und des Katodenelements; wobei das Ventilmetallanodenelement einen Querschnittsdichtegradienten aufweist, wobei ein Umfangsabschnitt (11') des Ventilmetallanodenelements weniger dicht als ein Mittelabschnitt (11'') des Ventilmetallanodenelements ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Anodenelement eines der folgenden Materialien enthält: ein Aluminiummaterial, ein Tantalmaterial, ein Niobmaterial, ein Ventilmetall-Material und eine Legierung, die wenigstens ein Ventilmetall enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Katodenelement eines der folgenden Materialien enthält: ein Kohlenstoffmaterial, ein Edelstahlmaterial, ein Carbidmaterial, ein Titanmaterial und ein Rutheniummaterial; und das Katodenelement einen Überzug aus wenigstens einem der folgenden Materialien enthält: eine Kohlenstoffschicht, ein Carbidmaterial, ein kohlenstoffhaltiges Material, ein Rutheniumoxid, ein Eisenoxid, ein Nickel- Oxid, ein Titanoxid, ein Rutheniumcarbid, ein Eisencarbid und ein Nickelcarbid.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Hohlräume wenigstens ein Oberflächenmerkmal des Anodenelements aufweisen und das wenigstens eine Oberflächenmerkmal eines der Folgenden aufweist: eine Rippe bzw. einen Grat, einen Vorsprung, einen Kanal, einen Tunnel, eine Riffelung, eine Welligkeit, eine Nut, eine Kerbe, einen Schlitz, eine Riefe, einen Knick.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Katodenelement ein lang gestrecktes Katodenelement aufweist und das lang gestreckte Katodenelement wenigstens teilweise in einen der wenigstens zwei Hohlräume eingesetzt ist und wobei das Katodenelement einen Kern besitzt, der von einem Material mit hoher Kapazität und von einer das Material mit hoher Kapazität umgebenden Trennschicht umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das wenigstens eine lang gestreckte Katodenelement ferner eine koaxiale, ineinander geschobene Gruppe von hohlen Kernelementen aufweist und wobei die Kernelemente eine Schicht aus einem der folgenden Materialien, die darauf angeordnet sind, besitzt: Kohlenstoff, Carbid, Metalloxid.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Anodenelement und das Katodenelement jeweils Hauptoberflächen besitzen und die Hauptoberfläche des Anodenelements im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptoberfläche des Katodenelements angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner mit: einem Paar Katodenelemente, die beabstandet angeordnet sind, so dass die Hauptoberflächen des Paars Katodenelemente zueinander im Wesentlichen parallel sind; und mehreren Anodenelementen, die zwischen dem Paar Katodenelemente angeordnet und von jedem benachbarten der mehreren Anodenelemente elektrisch isoliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei wenigstens eines der mehreren Anodenelemente mehrere darin ausgebildete Öffnungen besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner mit wenigstens einer Schicht aus porösem Material, das zwischen einem benachbarten Paar von Anodenelementen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Schicht aus porösem Material eine Aluminiumfolie ist, die einen niedrigeren Kapazitätswert als die Anodenelemente hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Aluminiumfolie mit Tunnelmerkmalen, die im Wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche oder im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptoberfläche orientiert sind, mechanisch geätzt ist.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mittelabschnitt eine im Wesentlichen gleichmäßige Form besitzt.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Umfangsabschnitt wenigstens einen lang gestreckten Durchlass aufweist.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der wenigstens eine lang gestreckte Durchlass von einem Material belegt ist.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Material eines der folgenden Materialien ist: ein Materi al, das einen flüssigen Elektrolyt absorbiert, ein Material auf Zellulosebasis, ein Katodenmaterial, ein Vliesmaterial, ein metallisches Pulver mit einer Dichte, die von jener des Umfangsabschnitts verschieden ist.
Kondensatorvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das metallische Pulver eine Dichte besitzt, die von jener des Mittelabschnitts verschieden ist.
Verfahren zum Herstellen einer fortschrittlichen bzw. fortgeschrittenen Ventilmetall-Anode (AVM-Anode) für einen Elektrolytkondensator mit hoher Energiedichte, das die folgenden Schritte umfasst: a) Einbringen eines metallischen Pulvers in einen aufnehmenden Behälter; b) Ausüben eines Drucks auf das metallische Pulver, um einen gepressten Rohanodenblock bzw. -rohling zu bilden, der eine gleichmäßige Pressdichte besitzt; c) Wiedergewinnen des gepressten Rohanodenblocks aus dem aufnehmenden Behälter; d) Entfernen wenigstens eines Teils von Material von einer Oberfläche oder von einem inneren Bereich des gepressten Rohanodenblocks; e) Sintern des gepressten Rohanodenblocks, um eine gesinterte Anode zu erzeugen; f) Anordnen der gesinterten Anode in einer Elektrolytlösung; und g) Anlegen eines elektrischen Potentials an die gesinterte Anode; und ferner mit dem Schritt des Bildens von wenigstens zwei Hohlräumen in der gepressten Rohanode, indem vor den Schritten f) und g) wenigstens einer der folgenden Schritte ausgeführt wird: Bilden von wenigstens zwei Hohlräumen in wenigstens einem Teil einer Hauptoberfläche des Behälters; mechanisches Entfernen von zusätzlichem Material von der gepressten Rohanode; und chemisches Ätzen der gepressten Rohanode; wobei die AVM-Anode so geformt ist, dass sie einen Querschnitts-Dichtegradienten besitzt, wobei ein Umfangsabschnitt der AVM-Anode weniger dicht als ein Mittelabschnitt der AVM-Anode ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner den Schritt des wenigstens teilweisen Einsetzens eines Katodenelements in wenigstens einen der Hohlräume umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Katodenelement ein lang gestrecktes Element mit einem Kern, einer den Kern umgebenden Beschichtung mit hoher Kapazität und einer elektrisch isolierenden Schicht, die die Beschichtung mit hoher Kapazität umgibt, ist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Beschichtung mit hoher Kapazität eine der folgenden Beschichtungen ist: eine Kohlenstoffschicht, eine Carbidschicht, eine kohlenstoffhaltige Schicht, eine Metalloxidbeschichtung, eine Rutheniumoxidbeschichtung, eine Nioboxidbeschichtung, eine Tantalpentoxidbeschichtung; und wobei die äußere elektrisch isolierende Schicht eine der folgenden Schichten ist: eine Polymerschicht, eine Schicht auf Harzbasis, eine PTFE-Schicht und eine ePTFE-Schicht.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Metallpulver einen Körnungsindex im Bereich von 10000 bis 100000 besitzt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ungefähr fünf Prozent der gepressten Rohanode während des Entfernungsschrittes weggenommen bzw. entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das metallische Pulver ein Material mit einer gleichmäßigen Kornabmessung enthält und wobei der Einbringungsschritt a) ferner umfasst: a1) Einbringen einer Schicht aus einem metallischen Pulver mit einer zweiten. Kornabmessung, die von der gleichmäßigen Kornabmessung verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die gleichmäßige und die zweite Kornabmessung sich aus einem Granulatmaterial ergeben, das zu dem metallischen Pulver hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Granulatmaterial ein Material enthält, das in einfacher Weise von der gepressten Rohanode entfernbar ist, wobei das Verfahren ferner nach dem Entfernen von Teilen der gepressten Rohanode umfasst: d1) Einbringen von Wärmeenergie; oder d2) Eintauchen der gepressten Rohanode in ein Lösungsmittel, in einem ausreichenden Maß, um das Material von der gepressten Rohanode im Wesentlichen zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Granulatmaterial ein entfernbares Material enthält und wobei das Verfahren ferner einen Schritt d1) umfasst, bei dem nach dem Entfernen von Teilen der Rohanode ein Fluid in einer Menge angewendet wird, die ausreicht, um das Material von der Rohanode im Wesentlichen zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner das Liefern von Potentialimpulsen an das Anoden-Elektrolyt-System für eine vorgegebene Haltedauer nach dem Erreichen der Soll-Formationsspannung umfasst, bis der Stromfluss durch das Anoden-Elektrolyt-System auf einen vorgegebenen Pegel abgefallen ist.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner den Schritt des Umrührens bzw. Schüttelns des Elektrolyts in der Zeit zwischen abgegebenen Potentialimpulsen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Umrührschritt das Beaufschlagen des Elektrolyts mit Schallenergie mit einer Frequenz im Bereich von Ultraschallfrequenzen bis zu hörbaren Frequenzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Liefern der Potential- und Stromimpulse mit Impulsamplituden und Impulsbreiten an das Anoden-Elektrolyt-System; und Absenken der Peak-Höhe der Stromimpulse, wenn sich die Potentialimpuls-Amplitude dem Soll-Formationspotential annähert.