DE7535394U - Elektrolyt-kondensator - Google Patents
Elektrolyt-kondensatorInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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Description
PATENTANWALT
DIPL-ING.
DIPL-ING.
HuL'AUT GÖRTZ
. . . , ■■r\ am Main 70
79
79
6. November 1975 Gzw/Wa.
SPRAGUE ELECTRIC COMPANY
Elektrolyt-Kondensator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrolyt-Kondensator gemaß
dem Gattungsbegriff des Hauptanspruehes. Sie bezieht sich im besonderen auf einen verbesserten Aufbau eines Elektrolyt-Kondensators
bzw. auf ein verbessertes Sj'stem bei Elektrolyt-Kondensatoren.
Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf einen verbesserten Abstandhalter und seine Zusammenarbeit mit dem
Kondensator-Elektrolyten.
Bekannte Elektrolyt-Kondensatoren haben im allgemeinen einen derartigen Aufbau, daß zwischen einer Anodenfolie und einer
Kathodenfolie ein Abstandhalter vorgesehen ist, der beide Elektroden
getrennt hält, \*enn sie zu einem geschlossenen Körper zusammengerollt werden. Der Abstandhalter ist porös und wird
somit mit den* Kondensator-Elektrolyten getränkt, d.h. die Kombination
des Abstandhalters mit dem Kondensator-Elektrolyten füllt den Raum zwischen Anode uiö Kathode aus. Für die Arbeitsweise
eines Kondensators und letzlieh für seine Gebrauchsfähigkeit ist der Ileihen-Ersatzwiderstand (REW) ein wichtiger Faktor.
Der Abstandhalter eines Elektrolyt-Kondensators bestimmt dabei den elektrischen Gesamtwiderstand zwischen Anode und Kathode.
23.09.76
Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von dem Elektrolyt-Kondensator
gemäß dem eingangs genannten Gattungsbegriff diesen hinsichtlich der elektrischen Charakteristika, insbesondere
hinsichtlich einer Verringerung des Widerstandes zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch
die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches.
Die Erfindung betrifft somit einen Elektrolyt-Kondensator, der als Abstandhalter zwischen beiden Elektroden ein Material aufweist,
das einen poröser: rolypropylenfilm aufweist in Verbindung
mit einem Elektroly+en, der diesen Abstandhalter tränkt
und eine verbesserte elektrische Durchlässigkeit bewirkt. Ein Kondensator mit einem derartigen Polypropylen-Abstandhalter
und Kondensator-Elektrolyten hat einen ausgezeichnet niedrigen Reihen-Ersatzwiderstand sowie eine ausgezeichnete geringe
Temperaturabhängigkeit dieses Reihen-Ersatzwiderstandes.
Ein Merkmal der Erfindung besteht in dem Zusammenwirken eines porösen Polypropylen-Abstandhalters mit einem Elektrolyten in
einem Elektrolyt-Kondensator, wobei der Elektrolyt eine Lösung folgender VerMndungene'nthält: Tri-n-bu1yl phosphat, N-m ethyl pyrrolidon,
Hexamethylphosphortriamid, Butylcellosolve, Dimethylformamid (später als DMF bezeichnet), 2-Methoxypropionitril und
Propylen-Carbonat.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels.
nro-on'· 2 3.09.76
Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht eines Elektrolyt-Kondensators, der zum Teil noch nicht aufgewickelt
ist. Der Kondensator besitzt eine Anode 11 sowie eine Kathode 12, die durch ein Paar von Abstandhaltern 13 und Ik getrennt
sind, wobei die Abstandhalter gemäß der Erfindung aus einem porösen Polypropylenfilm bestehen. Die Kathode 12 ist aus einem
geeigneten leitfähigen Material hergestellt, und die Anode Ii besteht a>/.s einem Röhrenmetall (valve-metal ), vorzugsweise aus
Aluminium oder Tantal. Sowohl mit der Anode Ii als auch mit der Kathode 12 sind Anschlußfahnen 15 und 16 verbunden, die als Anschlußklemmen
dienen. Die Abstandhalter 13 und Ik sind mit einem Elektrolyt-Leitungs-System getränkt, das später noch näher beschrieben
wird.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Materialien des Elektrolyt-Kondensators
wurden anhand eines Kondensators bestimmt, der Abschnitte aus Aluminium-Folie, wie vorstehend beschrieben und
gezeigt, aufweist und der ein geeignetes Abstandhaltermaterj al
einschließlich eines porösen Polypropylenfilmes sowie eine Elektrolytflüssigkeit
gemäß der Erfindung besitzt.
Nach einem Verfahren zur Präparierung eines Kondensators wurde der poröse Polypropylen-Abstandhalter des zusammengrollten
Aluminium-Folie-Abschnittes mit einem Elektrolyten folgender Zusammensetzung getränkt: 0,1 MDi-isopropylammonium boro-di 2,3-naphthalindiolat
in einer DMF-Lösung.
Für diese Anordnung wurden der Reihen-Ersatzwiderstand und die
Kapazität bei verschiedenen Temperaturen, der Impedanzwert bei verschiedenen Frequenzen und der Reststrom gemessen.
3.09.76
Die elektrische Durchlässigkeit eines Abstandhalter in einem Elektrolyt-Kondensator bestimmt maßgebend den inneren elektrischen
Widerstand des Kondensators; es wird hierzu erläuternd auf "Electrochemical Technology" Band 6, Nr. 5-6, Seiten 172 bis
178 hingewiesen. Der Abstandhalter eines Elektrolyt-Kondensators bestimmt dabei den elektrischen Gesamtwiderstand zwischen Anode
und Kathode. Während die Gestalt und die Größe der Poren sich auf den Wert des elektrischen Widerstandes auswirken, hängen
andere Eigenschaften des Abstandhalters von dem Typ der Elektrolyt-Lösung
bzw. von ihrer Leitfähigkeit ab. Eine Berechnung mit
der üblichen Porosität, ausgedrückt in Prozenten des Volumens der Poren, stellt die Beziehung zwischen einem Abstandhalter und
den Kondensator-Charakteristika nicht verläßlich und genau dar. Die elektrische Porosität eines verbesserten Abstandhalters
in einem Kondensator kann besser durch die folgende Formel dargestellt werden:
Elektrische Porosität = 100 R = % P,
R+A R
wobei R der Widerstand des Elektrolyten und Δ R der Widerstand
des Abstandhalters ist.
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf verschiedene spezifische
Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist.
In diesem Beispiel wurde ein Elektrolyt-Kondensator aus folgenden Teilen hergestellt: eine Aluminiumfolie mit einem RsLnheits-
grad von 99,9 #, 0,075 mm (3 mil) dick, elektrochemisch geätzt
und später in einer wässrigen Natriumphosphatlösung bei ^O Volt
formiert,
eine 0,05 mm (2 mil) starke unformierte geätzte Aluminiumfolie
als Kathode,
ein mikroporöser Polypropylenfilm einer Dicke von 0,025^ mm
(l-mil), erhältlich unter dem Handelsnamen Celgard der Firma
Celanese Corporation, wobei sich dieser Film zwischen der formierten
Anode und der unforraierten Kathode befindet. In den
vorstehend beschriebenen Kondensator wird bei 25 C mittels der üblichen Techniken ein Elektrolyt eingefüllt, der aus 0,1 M
iisopropylammonium boro-di-2,?-naphthalindiolat in DMF-Lösung
besteht.
Die Elektrolyt-Kondensatoren dieses Beispieles sind aufgebaut mit der geätzten und formierten Anodenfolie sowie der unformierten
Kathodenfolie gemäß dem Beispiels la aufbaut, und besitzen
zwischen der Anode und der Kathode zwei Schichten eines 0,0125 mm (l/2 mil) starken "Kraft-Papier" als Abstandhalter.
Der Elektrolyt als solcher, die Technik der Imprägnierung des Kondensators sowie die Temperatur der Imprägnation sind die
gleichen wie die im Beispiel Ia.
Die gemäß diesen Beispielen Ia und Ib hergestellten Kondensatoreinheiten
hatten Kapazitätswerte von 2000 uF bei einem Spannungsbereich von 20 Volt Gleichspannung.
Q 7R
In der folgenden Tabelle I sind die Meßwerte für die Kapazität, den Reihenverlustwiderstand bzw. Reihen-Ersatzwiderstand
REW sowie den Reststrom bei 20 Volt für die Kondensatoren gemäß den Beispielen Ia und Ib bei einer Zimmertemperatur von
25°C dargestellt.
Kondensator
Polypropylen-Abstandhalter
»Kraft-Papier»
Abstandhalter
Kap. in uF | 2,157 | REW in Ohm | Reststrom bei |
Γ | 2,220 | 20 V in uA | |
2,232 | 0,048 | 42 | |
2,192 | 0,040 | 38 | |
2,163 | 0,041 | 37 | |
2,172 | 0,046 | 40 | |
2,348 | 0,050 | 42 | |
2,345 | 0,044 | 55 | |
2,357 | 0,044 | 28 | |
2,319 | 0,044 | 15 | |
2,322 | 0,047 | 22 | |
2,342 | 0,045 | 29 | |
0,045 | 20 | ||
0,044 | 22 |
7R3R39A ?3.ng.76
Die anfänglichen Charakteristika der Kondensatoren der Beispiele Ia und Ib sind vergleichbar.
Die Kondensatoren der Beispiele Ia und Ib wurden auch hinsichtlich
der Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur geprüft, wobei die niedrigerender Messungen in der Tabelle II daxgestellt
sind.
Kapazitätsverhältnisse für 2£ -20 -kO -55
Kraft-Papier-Abstandhalter 1,00 0,97 0,88 0,87
mikroporöse Polypropylen-Abstandhalter 1,00 0,98 0,96 0,94
Die Prüfeinheiten mit Kraft-Papier als Abstandhalter büßen für Temperaturen unterhalb der Zimmertemperatur einen größeren Kapazitätswert
gegenüber Prüflingen mit mikroporösen Polypropylen-Abstandhaltern ein.
Die Kondensatoren der Beispiele Ia und Ib wurden in einem Trokkenschrank
bei 105°C nach 240 Std., nach 1000 Std., und nach
1500 Std. getestet, wobei Mittelwerte dieser Messungen als eine Zusammenfassung der Meßergebnisse in der nachfolgenden Tabelle
III dargestellt sind.
7 R 9 R 3 R/i 7
105 C Lebensdauertest
Mittlerer Wert: 120 Hz
Kondensa+or
Zeit
Kap.
RC
DCL REW
REW-
Verhält-
nis
Kraft- | 0 | St d. | 2339 | 103 |
Papier-Ab | 240 | Il | 2311 | 81 |
standhalter | 1000 | η | 2288 | 79 |
1500 | ti | 2268 | 74 | |
0 | T | 2189 | 98 | |
Polypropylen | 240 | Il | 2201 | 98 |
abstandhal | 1000 | If | 2246 | 59 |
ter | 1500 | ti | 2251 | 51 |
MA 0,044 -
3.3 0,035 -1,2 0,80 3,7 0,034 -2,2 0,77
10,8 0,033 -3,0 0,75
MA 0,045 -
5,2 0,045 0,55 1,00
4,1 0,026 2,60 0,58
5.4 0,023 2,80 0,51
Wie man aus der Tabelle III erkennt, besitzen die Kondensatoren nach der Erfindung nach dem Lebensdauertest ausgezeichnete Charakteristik^
hinsichtlich des Reihen-Ersatzwiderstandes.
In diesem Beispiel werden die Elektrolyt-Kondensatoren wie folgt aufgebaut: eine 0,075 mm (3 mil) dicke Aluminiumfolie mit 99,9 #
7R3R39& 17 no 75
Reinheitsgrad, elektrochemisch geätzt und späterhin in einer ■wässrigen Natriumphosphatlösung bei 2IO Volt formiert,
eine 0,05 nun (2 mil)dicke, unformierte, geätzte Aluminiumfolie
als Kathode,
und eine 0,025 mm (l mil) dicke Schicht von "melt blown" Polypropylen,
erhältlich unter dem Handelsnamen Polyweb der Firma Riegel Products Corp. , -s.obei sich dieses Material zwischen der
formierten Anode und der unformierten Kathode als Abstandhalter befindet. Mit der üblichen Technik i-.ird bei 25°C ein Elektrolyt
gemäß dem Beispiels Ia in den so aufgebaute ι Kondensator eingebracht.
Diese Elektrolyt-Kondensatoren besitzen die gleiche Anode und Kathode wie im Beispiel I sowie zwei Schichten eines 0,0?.5 nim
(l/2 nril) dicken Kraft-Papieres als Abstandhalter zwischen der
formierten Anode und der unformierten Kathode. Der Elektrolyt, seine Einfüllungsmethode sowie die Temperatur der Imprägnierung
sind die gleichen wie im Beispiel Ha.
Die Meßergebnisse für die Temperaturabhängigkeit der Impedanz der Kondensatoren der Beispiele Ha und Hb sind in der Tabelle
IV dargestellt.
Kraft-Papier-Irapedanz
Polypropylen-Abstandhalter-Impedanz
-40,5 | Temperatur | C | 2k | 66 | 85 | 35 | |
,26 | -16,5 | Ok | 0,35 | o, | 3 | ||
0 | ,105 | 0,105 0, | 35 | 0,25 | o, | ||
0 | 0,07 0, | ||||||
?? no
Es konnte dabei beobachtet werden, daß eine große Differenz zwischen den Einheiten gemäß der Erfindung und denjenigen des
Standes der Technik hinsichtlich der Reihen-Verlustwiderstandes,
im speziellen bei niedrigen Temperaturen vorhanden ist.
Diese Elektrolyt-Kondensatoren bestehen aus einer 0,075 mm
(3 mil) starken Aluminiumfolie von 99»9 $>
Reinheit, elektrochemisch geätzt und anschließend in einer wässrigen Natriumphosphat
lösung bei kO Volt formiert sowie aus einer 0,05 mm
(2 mil) starken, unformierten und geätzten Aluminiumfolie als
Kathode sowie aus einer 0,033 mm (1,3 mil) starken porösen
Polypropylenschicht, verkauft unter dem llandelsnamen Delnet der
Firma Hercules Inc., wobei sich diese Schicht als Abstandhalter zwischen der formierten Anode und der unformierten Kathode
befindet. Die Technik des Elektrolyten ist die gleiche wie bei den vorhergehenden Beispielen.
Bei den Elektrolyt-Kondensatoren dieses Beispieles sind die Folien für die Anode und die Kathode die gleichen wie im
Beispiel I einschließlich der zwei Schichten des als Abstandhalter zwischen der formierten Anode und der unformierten Katho
de dienenden 0,0125 mm (i/2 mil) starken Kraft-Papiers.
Die Technik des Elektrolyten ist die gleiche wie im Beispiel IHa.
-Ii-
Die Kondensatoren der Beispiele IHa und IHb wurden bei Zimmertemperatur
hinsichtlich des Kapazitätswertes, des Reihen-Ersatzwiderstandes und des Leckstromes bei 20 Volt gemessen, wo-
die
bei/Ergebnisse in der Tabelle V festgehalten sind.
bei/Ergebnisse in der Tabelle V festgehalten sind.
Anfängliche elektrische Messungen | Delnet | - IHa |
Reststrom bei
20 V uA |
HIb | 12 |
REW | 18 | 12 | |||
Kap. uF | 0,035 | 12 | 16 | ||
3280 | 0,034 | 10 | 10 | ||
3234 | 0,034 | 16 | 10 | ||
3228 | 0,033 | 10 | 12 | ||
3207 | 0,033 | 13 | |||
3243 | 0,034 | ||||
Mittel- 3235 wert |
Kraft - | ||||
0,049 | |||||
3296 | 0,048 | ||||
3215 | 0,047 | ||||
3236 | 0,047 | ||||
3267 | 0,049 | ||||
3296 | 0,048 | ||||
Mittel-3263 wert |
Man erkennt, daß der elektrische Reihen-Ersatzwiderstand der Einheiten mit dem Delnet-Abstandhalter beachtlich kleiner als der
7K3R394 ?3.09.76
jenige der Einheiten mit den Kraft-Papieren als Abstandhalter
ist.
Die Kondensatoren der Beispiele IHa und IHb wurden ebenfalls hinsichtlich der Abhängigkeit der Kapazitätswerte von der Temperatur
geraessen, wobei die Mittelwerte der Messungen in der Tabelle VI aufgetragen sind.
Kapazitätsverhältnis 95 25 -21,5 -42
Kraft-Papier Abstandhalter 1,09 1,00 0,98 0,93
Polypropylen Abstandhalter 1,09 1,00 1,01 0,98
Die Einheiten mit dem Kraft-Papier als Abstandhalter haben gegenüber
den Einheiten mit einem porösen Polypropylen-Abstandhalter bei Temperaturen/mterhalb der Zimmertemperatur einen größeren
Kapazitätsverlust.
Die Abhängigkeit des Reihen-Ersatzwiderstandes in 0hm bei 120 Hz
von der Temperatur für die Kondensatoren der Beispiele IHa und IHb ist für zwei verschiedene Abstandhalter vergleichweise in
der Tabelle VII zusammengestellt.
Tabelle VII
80 | 2k | Temperatur 0C | |
REW | 3,2 3 |
4,6 2,9 |
-40 -55 |
Kraft- Papier Delnet-Ab- standhalter |
21,5 47 4,4 5,8 |
||
Bei -55°C ist der Reihen-Ersatzwiderstand der Kraft-Einheiten
nahezu zehnmal größer als derjenige bei den Kondensatoren gemäß der Erfindung.
Die elektrische Durchlässigkeit von einem 0,018 mm (0,9 mil)
starken Celgard-Papier sowie von einem 0,0125 mm (0,5 mil) starken Benares-Papier wurde vergleichsweise in Lösungen mit verschiedenen
Lösungsmitteln gemessen, wobei die Lösungen aus 100 g Lösungsmittel,
3,2 g 2,5-Naphthalindiol, 0,16 g Borsäure und 1,0 g Diisopropylamin bestehen. Der spezifische elektrische Widerstand
sowie die elektrische Durchlässigkeit, die bei den verschiedenen Kombinationen von Lösungsmittel und Abstandhalter gemessen wurden,
sind in der Tabelle VIII zusammengestellt.
7535394 23.09.76
Tabelle VIII
Ohm- em | % P 0,018 mm Celpard |
fo P 0,012 ram Benares |
|
6250 | 19,2 | 0,28 | |
Tri-n-Butylphosphat | 855 | 19,8 | 3,7 |
N-Kethylpyrrolidon | 1500 | 15,2 | 0,23 |
Hexamethyl-Phosphor— triamid |
8200 | 18,2 | 0,31 |
Butylcellosolve | 380 | 25,7 | 6,2 |
DMF | 582 | 0,23 | 0,24 |
ButyroIacton | 800 | 0,4 | 3,9 |
Glykol | |||
Weitere Vergleichsmessun^en wurden mit Lösungsmitteln in Lösungen
angestellt, die aus 100 g Lösungsmittel und 3 g Tributylammoniumpikrat
bestehen. Die dabei beobachteten Werte für den spezifischen Widerstand und die elektrische Durchlässigkeit bezogen
auf die verschiedenen KombiiEtionen von Lösungsmittel und
Abstandhalter gehen aus der Tabelle IX hervor.
3-Methoxypropionitril 1220 19,6 4,3 Propylen-Carbonat 1240 3,3 0,37
7535394 23.09.76
Allgemein geeignete Lösungsmittel sind Amide mit niedrigem Siedepunkt,
Laktame, Phosphatester und Phosphatamide, sowie niedrige
Äther Alkohole und niedrige Äther Nitrile.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Kondensatoraufbau gemäß der Erfindung, nämlich eine Schicht aus porösem Polypropylen
als Abstandhalter, zwischengelegt zwischen die Kondensatorelektroden
und imprägniert mit einem Elektrolyten, gute elektrische Eigenschaften hervorbringt, einschließlich eines stabilen
Reihen-Ersatzwiderstandes bei Temperaturänderungen in dem Kondensator. Verschiedene Vorteile dieses Abstandhalters und
die daraus sich ergebenden Vorteile des Kondensators bei Verwendung dieses Abstandhalters sind im einzelnen im vorhergehenden
aufgezeigt worden.
Der Abstandhalter gemäß der Erfindung mit dem angegebenen Elektrolyt-System
gibt eine gewünschte elektrische Durchlässigkeit vor. Die Kombinat ion eines Abstandhalters aus Polypropylen mit
einer Elektrolytlösung der angegebenen Gruppe erzielt eine elektrische Durchlässigkeit von mindestens Ik. Die Werte der elektrischen
Durchlässigkeit, die gemäß der eingangs genannten Formel errechnet worden sind, sind in der Tabelle X zusammengestellt.
7535394 23.09.76
% P
Riegel Polyweb
Dicke in mil
. *1,5
"melt blown" Polypropylen/**1,5
J
Celanese Celgard "Λ *i.O
Mikroporöses Polypropylene
Fabrikat J **l,0
Fabrikat J **l,0
1,0
DMF Glykol Elektrolyt
19,1 16,8
17,0 25,7
29,3
Kendall
ungewirktes
Fabrikat
Fabrikat
Hercules, Delnet
Kontinuierliches Polypropylen-Fasernetz
Kraft-Papier
Benares-Papier
Benares-Papier
* Ohne Netzmittel
** Mit Netzmitteln, wie z.B. anionische Oxyester
** Mit Netzmitteln, wie z.B. anionische Oxyester
1,0
0,4
22,2
1,3 | 34 | 37 |
0,5 | 4,9 | 5,2 |
1,0 | 6,2 | 5,5 |
7535394 23.09.7fi
Im Vorstehenden "wurde ein Elektrolytkondensator beschrieben,
dessen Elektroden durch ein Abstandsmaterial getrennt sind, das aus einem porösen Polypropylenfilm besteht, der eine elektrische
Durchlässigkeit hat, die einen niedrigerer Iteihen-Ersatzviclerstand
bedingt, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Die Elektrolyten, die mit diesem porösen Polypropylenmaterial zusammenarbeiten,
haben vorzugsweise als Lösungsmittel: 2-Methoxy-proprionitril,
Tri-n-Butylphosphat, N-MethyIpyrrolidon,
Hexamethylpnosphortriamid, Butylcellosolve und N,N,-Dimethylformamid.
7R3B394 23.09.76
Claims (2)
- Sprague Electric Comp. Gzm/Wa.Neue Schutzansprüche1· Elektrolyt-Kondensator mit zwei Elektroden und einem Abstandhalter zwischen diesen Elektroden in Verbindung mit einem Elektrolyt-System, das ein Lösungsmittel der Klasse, bestehend aus Amiden mit niedrigem Siedepunkt, Lactame, Phosphatester, Phosphatamiden, Ätheralkoholen und Äthernitrilen errthäüt,dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (13, 14) aus einem porösen, zur Aufnahme dieses Elektrolyten bestimmten Polypropylenmaterials besteht.
- 2. Elektrolyt-Kondensator mit zwei Elektroden und einem Abstandhalter zwischen diesen Elektroden in Verbindung mit einem Elektrolyt-System, das ein Lösungsmittel der Klasse, bestehend aus Tri-n-butylphosphat, N-Methylpyrrolidon, Hexamethylphosphortriamid, Butylcellosolve,N,N,-Dimethylformamid, 2-Methoxypropionitril enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (13, 14) aus einem porösen zur Aufnahme dieses Elektrolyten bestimmten Polypropylenmaterials besteht.7535394 23.09.76
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