DE69301172T2 - Neues Depolarisationsmittel enthaltender Elektrolyt sowie diesen Elektrolyt enthaltender elektrolytischer Kondensator - Google Patents
Neues Depolarisationsmittel enthaltender Elektrolyt sowie diesen Elektrolyt enthaltender elektrolytischer KondensatorInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrolytkondensator mit einem aus Aluminium bestehenden Kathoden- und Anodenelement, die durch einen isolierenden Distanzteil in einem Abstand voneinander liegen, wobei dieses Distanzteil mit einem ein Depolarisationsmittel enthaltenden Elektrolyten imprägniert ist.
- Die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators wird oft beschränkt durch die Erzeugung von Gas innerhalb des in dem Kondensator verwendeten Elektrolyten. Durch die Erzeugung dieses Gases nimmt der gleichwertige Reihenwiderstand (ESR) innerhalb einer relativ kurzen Zeit bis zu einem unerwünscht hohen Wert zu. Das leben eines Kondensators wird dadurch gekürzt.
- Es ist bekannt, daß die Erzeugung des Gases durch eine Anzahl verschiedener Mechanismen verursacht wird. Einer dieser Mechanismen basiert auf einer thermischen Dekompensation des Elektrolyten. Ein anderer Mechanismus ist die chemische Reaktion der Kathode, beispielsweise Aluminium mit dem Elektrolyten, wodurch Wasserstoffgas entsteht. Es ist bekannt, daß die elektrochemische Verringerung des Elektrolyten an der Kathode zu einer Zunahme des ESR führt, dies in einem Verhältnis zu der Menge an der Kathode erzeugten Gases.
- Die Verwendung von nitroaromatischen Verbindungen als Kathodendepolarisatoren ist beispielsweise aus der US-A-45801 bekannt zur Vermeidung dieser Gaserzeugung. Es wurde gefunden, daß nitroaromatische Verbindungen die Betriebsspannung der aus Aluminium bestehenden Elektrolytkondensatoren begrenzen, weshalb sie sich nicht als Depolarisationsmittel eignen, insbesondere nicht für Hochspannungskondensatoren.
- Es wurde ebenfalls gefunden, daß nitroaromatische Verbindungen gefährliche Werkstoffe sind, da sie toxisch sind und durch eine einwandfreie Haut hindurch absorbiert werden können.Aus diesem zusätzlichen Grund ist es erwünscht, daß nitroaromatische Verbindungen in Elektrolyten ersetzt werden.
- Das US-Patent 2.089.683 zeigt einen Elektrolytkondensator, dessen Elektrolyt eine gerade Kette aliphatischer Säure mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen enthält, wobei ein Beispiel in diesem Patent propionische Säure ist. Es wird nicht erwähnt, daß diese Säuren als Depolarisator wirken.
- In US Patent 3.539.881 wird ein Elektrolytkondensator beschrieben, bei dem der verwendete Elektrolyt Monokarboxilsäure mit weniger als 7 Kohlenstoffen enthält, wobei diese Säuren Flüssigkeiten sind. Als Beispiel von Säuren, die verwendet werden lassen sich nennen Acrylsäure, Butensäure und Pentensäure. Es wird aber in diesem Patent nicht erwähnt, daß diese säuren als Depolarisationsmittel wirken.
- In US Patent 3.611.056 wird ein Elektrolyt für einen Elektrolytkondensator beschrieben, der eine aliphatische Polyhydroxycarbonsäure, beispielsweise Zitronensäure, enthält. Aber auch hier wird nicht erwähnt, daß diese Säuren als Depolarisationsmittel wirken.
- In der Europäischen Patentanmeldung 0.246.825 werden Elektrolytkondensatoren beschrieben, deren Elektrolyt eine aliphatische Carbonsäure enthält, wobei dieses Dokument als Beispiel ungesättigte Monosäuren beschreibt, wie Crotonsäure, Acrylsäure, Octensäure und Decylensäure oder Dicarbonsäure wie 8,11-Dimethyl-7,11- octadecardien-1,18-dicarboxylsäure. Auch hier aber wird nicht erwähnt, daß irgend eine der verwendeten Säuren als Depolarisationsmittel wirkt.
- Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung einen Elektrolyten zu schaffen, der insbesondere geeignet ist zum Gebrauch als Füllelektrolyt bei Elektrolytkondensatoren mit Alukathoden und -anoden, nützlich zum Gebrauch im Hochspannungsbereich, wobei dieser Elektrolyt ein verbessertes nicht-giftiges Depolarisationsmittel enthält.
- Nach der Erfindung, die durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet ist, wurde gefunden, daß das Leben eines Elektrolytkondensators mit Alu-Kathoden- und -Anodenelementen wesentlich verlängert wird durch Verwendung eines Elektrolyten, der eine aliphatisch konjugierte Dien-monocarbonsäure, deren nichtmetallische Salze, deren Amide oder deren Ester enthält, und zwar in einer Menge von 0,10 bis 20 Gew.% des Elektrolyten, wobei diese Säure vorzugsweise Sorbinsäure ist.
- Obschon gefunden wurde, daß verbesserte Ergebnisse auftreten bei Elektrolyten mit aliphatisch konjugierten Dien-monocarbonsäuren, deren nicht-metallischen Salzen, deren Amiden oder deren Estern, wurde gefunden, daß insbesondere verbesserte Ergebnisse erzielt wurden durch die verwendung von Elektrolyten mit einer Sorbatverbindung, insbesondere Sorbinsäure, einem Aminsalz oder einem Aluminiumsalz oder Sorbinsäure.
- In dieser Hinsicht sei erwähnt, daß in dem obengenannten US Patent 3.611.056 den Gebrauch von Sorbinsäure in einem Elektrolyten erwähnt wird, der für einen Elektrolytkondensator verwendet wird. Aber es scheint sich dabei um einen Tippfehler zu handeln, da die Sorbinsäure definiert ist als Carbonsäure definiert ist, die zwei Vizinalhydroxygruppen aufweisen soll, Spalte 3, Zeilen 10-19. Da Sorbinsäure keine Hydroxygruppen aufweist dürfte es einleuchten, daß der Ausdruck Sorbinsäure in Spalte 3, Zeile 19 ein Tippfehler ist. Statt dessen wird wohl Ascorbinsäure gemeint sein, d diese Säure zwei Vizinalhydroxygruppen aufweist.
- Die Menge aliphatisch konjugierter Dien-monocarbonsäure oder Derivate derselben, die es in dem in dem erfindungsgemäßen Kondensator verwendeten Elektrolyten geben darf, beträgt 0,10 - 20 Gew.%. Wenn die Sorbinsäure verwendet wird, wird die verwendete Menge Sorbinsäure etwa 0,1 bis etwa 15,0 Gew.% betragen.
- Die Lösungsmittel, die in dem erfindungsgemäßen Elektrolyten verwendet werden können, enthalten polare Lösungsmittel, wie Äthylenglykol, Propylenglykol, 1- Methyl-2-Pyrrolidon, Gamma-Butyrolaceton, Dimethylformamid und Dimethylacetamid und die Gemische dieser Stoffe. Aber wegen der relativ geringen Kosten und durch die Tatsache, daß sie nicht toxisch sind, werden Äthylenglykol und/oder Propylenglykol bevorzugt.
- Zusätzlich zu der bereits genannten aliphatisch konjugierten Dienmonocarbonsäureverbindung kann der Elektrolyt zusätzliche Carbonsäuren enthalten. Beispiele dieser zusätzlichen Carbonsäuren sind Essigsäure, Propionsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Adipinsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Phthalsäure und Benzoinsäure in einer Menge von etwa 0,50 - 20,00 Gew.% und in einer derartigen Menge, daß der Mol% der aliphatisch konjugierten Dien-monocarbonsäureverbindung, der kombinierten Menge der aliphatisch konjugierten Dien-monocarbonsäureverbindung und der zusätzlichen Säure 10 - 100 Mol% beträgt.
- Außerdem enthalten die in dem erfindungsgemäßen Kondensator verwendeten Elektrolyten vorzugsweise bis zu 0,02 Gew.% Phosphorsäure. Zur Neutralisierung der Phosphorsäure und der anderen säuren enthält der Elektrolyt eine ausreichende Menge Ammoniak oder ein Amin, beispielsweise Dimethylamin, so daß der pH-Wert des Elektrolyten zwischen 7,0 und 10,0 liegt.
- Zur Vermeidung einer Schaumbildung kann ein Antischaummittel, wie Di- 2-Äthylhexylazelat, verwendet werden. Das Azelat wird vorzugsweise in einer Menge von etwa 0,01 bis 0,25 Gew.% verwendet, je nach der Menge verwendeter Dimersäure, wie dimerisierter Ölsäure.
- Weiterhin enthalten die Elektrolyten im allgemeinen etwa 5,0 bis 8,00 Gew.% Wasser.
- Es wurden insbesondere gute Ergebnisse erzielt bei Verwendung eines Elektrolyten mit 85 bis 86 Gew.% Äthylenglykol, 5,00-7,00 Gew.% Wasser, 0,60 - 0,80 Gew.% Dimersäure, 0,04-0,06 Gew.% Di-2-Äthylhexylazelat, 0,015-0,03 Gew.% Phosphorsäure, 3-7 Gew.% Azelatsäure, 1-2 Gew.% Sorbinsäure und 2,50-3,00 Gew.% Dimethylamin.
- Die Erfindung wird nun detailliert beschrieben anhand des untenstehenden Beispiels und anhand der Figuren der Zeichnung, in der Fig. 1 die Änderung in ESR (mn) als Funktion der Zeit (hr) für einen Kondensator mit dem Elektrolyten nach dem Beispiel 1 zeigt im Vergleich zu dem mit einem Steuerelektrolyt ohne Depolarisationsmittel, wenn die Kondensatoren bei 105ºC und mit 250 V betrieben werden.
- Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Vergleich, nun aber mit den Kondensatoren bei 200 V.
- Fig. 3 zeigt einen ähnlichen Vergleich, nun aber mit einer anderen Steuerelektrode ohne ein Depolarisationsmittel und bei einer Spannung von 350 V.
- Fig. 4 zeigt auf ähnliche Weise einen Vergleich, nun aber bei einer Spannung von 200 V und mit einem Steuerelektrolyt mit einem nitroaromatischen Kathodendepolarisationsmittel.
- Es wurde ein Elektrolyt dadurch hergestellt, daß die nachfolgenden Elemente zusammengemischt wurden: Äthylenglykol Wasser Gew.% * Dimer Acid Di-2-Äthylhexylazelat 85 % Phosphorsäure Azelainsäure Sorbinsäure Dimethylamin * Dimer Acid ist ein Handelsname für dimerisierte Ölsäure von Emery Industries.
- Die Stoffe wurde auf 65ºC bis 75ºC erhitzt unter ständigem Rühren zum lösen aller festen Teile und der pH-Wert wurde, wenn nötig, auf 7,5 bis 8,5 eingestellt. Der Widerstandswert des resultierenden Elektrolyten betrug etwa 330 Ohm.cm bei 30ºC.
- Es wurden dadurch Kondensatoren hergestellt, daß Papierzwischenlagen zwischen den Anoden- und Kathodenelementen mit dem Elektrolyten aus dem beispiel mit den obengenannten verwendeten (Steuer)Elektrolyten imprägniert wurden.
- Die "Lebensdauer" dieser Kondensatoren wurden ermittelt durch Messung des Anstiegs der ESR-Werte (Engl.: equivalent series resistance) als Funktion der in den Fig. 1, 2, 3 und 4 dargestellten Ergebnisse.
- Die gestrichelte Linie in jeder Figur entspricht der ESR-Graphik des erfindungsgemäßen Kondensators. Die gezogene Linie bezieht sich auf Steuer- oder bekannte Kondensatoren.
- Der Aluminiumgehalt der Kathoden der Kondensatoren beträgt 98 Gew.%.
- Wie in den Graphiken dargestellt, lieferte die Verwendung des erfindungsgemäßen Elektrolyten eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kondensatoren im Vergleich zu der der Kondensatoren mit einem Elektrolyten ohne Depolarisationsmittel; die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kondensatoren entspricht wenigstens der von bekannten Kondensatoren mit Elektrolyten mit den giftigen nitroaromatischen Depolarisationsmitteln.
Claims (5)
1. Elektrolytkondensator mit einem aus Aluminium bestehenden
Kathoden- und Anodenelement, die durch einen isolierenden Distanzteil in einem Abstand
voneinander liegen, wobei dieses Distanzteil mit einem ein Depolarisationsmittel enthaltenden
Elektrolyten imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte
Depolarisationsmittel eine aliphatisch konjugierte Dien-Monocarbonsäure, deren nicht-metallischer Salz,
deren Amid oder deren Ester ist und zwar in einer Menge von 0,10 bis 20 Gew.% des
Elektrolyten.
2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei diese Säure Sorbinsäure
ist.
3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der genannte Elektrolyt eine zusätzliche Carbonsäure enthält, gewählt aus der
Gruppe, die aus den nachfolgenden Säuren besteht: Essigsäure, Propionsäure,
Azelainsäure, Sebacinsäure, Adipinsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Phthalsäure und
Benzoinsäure in einer Menge von etwa 0,50 - 20,00 Gew.%, wobei der Mol% der aliphatisch
konjugierten Dien-monocarbonsäure der kombinierten Menge der aliphatisch
konjugierten Dien-monocarbonsäure der zusätzlichen Carbonsäure 10 - 100 Mol% beträgt,
wobei der genannte Elektrolyt ebenfalls 2-20 Gew.% Wasser, bis zu 0,02 Gew.%
Phosphorsäure und ein Amin oder Ammoniak in einer derartigen menge, daß der pH-
Wert des genannten Elektrolyten zwischen 7,0 und 10,0 liegt.
4. Elektrolytkondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektrolyt Äthylenglykol oder Propylenglykol als polares Lösungsmittel enthält.
5. Elektrolytkondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektrolyt weiterhin Di-2-Äthylhexylazelat enthält.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/856,776 US5175674A (en) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | Electrolyte containing a novel depolarizer and an electrolytic capacitor containing said electrolyte |
Publications (2)
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