DE892938C - Elektrolytischer Kondensator ungewoehnlich hoher Kapazitaet - Google Patents

Description

• Elektrolytischer Kondensator ungewöhnlich hoher Kapazität Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen elektrolytischen Kondensator, der sich durch eine ungewöhnlich hohe spezifische Kapazität auszeichnet. Bei den bekannten elektrolytischen Kondensatoren werden sogenannte Ventilmetalle, das sind Metalle, auf denen sich Sperrschichten ausbilden lassen, die eine Gleichrichterwirkung zeigen, wie z. B. Aluminium, Tantal usw., verwendet. Die Sperrschicht bildet dabei das Dielektrikum zwischen der anhängenden Elektrode und dem Elektrolyten. Infolge der geringen Stärke und der verhältnismäßig hohenDielektrizifätskonstanten dieser Sperrschichten ist die spezifische Kapazität dieser Kondensatoren im Gegensatz zur statischen Kapazität von Papier- oder Kuns.tstoffolienkonden:satoren bereits besonders groß.
• Die der Erfindung zugrunde`liegenden Kon-densa.toren zeigen nun einen dem Elektrolytkondensator bekannter Aufbauweise ähnlichen Aufbau, jedoch ist ihre Wirkung von der der bekannten Kondensatoren wesensverschieden. Nach dem Kennzeichen der Erfindung bestehen die Elektroden des neuartigen Kondensators aus Eisen oder einem äquivalenten Stoff, welches in einem alkalischen Bad, vorzugsweise in Kalilauge, anodisch oberhalb der Polarisationsspannung mit einer Umsetzungsschicht versehen ist, während der Elektrolyt aus Kalilauge, Natronlauge od, dgl. besteht. Wenn auch, wie bereits bemerkt, der Aufbau dieses Kondensators einem der üblichen elektrolytischein Kondensatoren sehr ähnlich ist, so stellt doch im vorliegend-en Fall die auf den Eisenelektroden ausgebildete Schicht nicht das D:ielektrikum des Kondensators dar. Es ist nämlich bereits dann eine auch gegenüber den bekannten elektrolytischen Kondensatoren erhöhte Kapazitätswirkung vorhanden, wenn man vollkommen unbehandelte Eisenplatten od. dgl. in b.-ispielsweise Kalilauge eintaucht. Es handelt sich bei diesen Vorgängen um die-sögenannte Polarisationskapazität, wie sie schon früher bei den sogenannten Polarisationszellen ausgenutzt wurde. Der Unterschied gegenüber dem Bekanntem und das die Erfindung bedingende Moment ist, daß die Elektrodenplatten in noch näher zu erläuternder Weise ähnlich wie bei elektrolytischen Kondensatoren vorbehandelt werden. Diese Vorbehandlung nun kann nach allen Kenntnissen des Fachmanns zwar Verbesserungen in irgendwelchen elektrischen Werten des Kondensators erbringen, jedoch keinesfalls die Kapazität des Kondensators erhöhen, da die reine Polarisationskapazität ohne Zwischenschaltung einer irgendwie gearteten zusätzlichen dielektrisehen Schicht den höchsten Wert ergeben. müßte. Das Überraschende ist nun, daß diese Ansicht nicht zutrifft. Durch die Benutzung von Elektroden mit einer entsprechend dem Kennzeichen der Erfindung ausgebildeten Schutzschicht wird eine spezifische Kapazität erzielt, die um mehrere Zehnerpotenzen höher liegt als die bekannten spezifischen Kapazitätswerte. Wesentlich dabei ist gleichzeitig, daß nicht etwa, wie es bei elektrolytischen Kondensatoren üblich ist, nur eine Elektrode mit einer Umsetzungsschicht überzogen ist, dies zeigt keinerlei Wirkung, sondern daß beide Elektroden in gleicher Weise vorbehandelt sind.
• Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kondensators geht man so, vor, daß man Elektroden aus Eisenblech bzw. aus einem äquivalenten Stoff, wie z. B. Nickel, oder einer Legierung od. dgl. (als besonders geeignet zeigt sich sogenanntes Tiefziehblech) in ein alkalisches Bad taucht und sie als Anode geschaltet einer Spannungswirkung aussetzt. Wichtig und sogar ausschlaggebend für die beschriebene kapazitätserhöhende Wirkung ist, daß die Temperatur des Elektrolyten wenigstens 6o° C, am zweckmäßigsten iio° C beträgt. Unterhalb der unteren Temperaturgrenze werden zwar ebenfalls Schichten ausgebildet, die jedoch keinerlei Wirkung in der- beschriebenen Richtung zeigen. Die Spannung, die zwischen Elektrode und Elektrolyt angelegt wird, ist größer als die sogenannte Polarisationsspannung und liegt somit über 1,5 Volt. Man steigert die Spannung so lange, bis pro Quadratdezimeter der Elektrodenoberfläche ein Strom zwischen l/z bis io Amp. fließt. Als zweckmäßiger Richtwert sei 5 Amp. pro Quadratdezimeter angegeben. Dieser Strom, der im Gegensatz zu den Formationsströmen bei elektrolytischen Kondensatoren auch nicht abfällt, sondern konstant bleibt, wird rund 2o Minuten aufrechterhalten. Danach ist auf den Elektroden eine vermutlich aus einem Oxyd bestehende Umsetzungsschicht gebildet, die außerordentlich fest auf der Elektrodenoberfläche haftet, ein bläuliches Aussehen zeigt und im Gegensatz zu den kristallinen dielektrischen Schichten auf Aluirninium verhältnismäßig stark ist.
• Wie sich bei den Untersuchungen ergab, wird die spezifische Kapazität des Eisenkondensators immer größer, je dicker die auf der Oberfläche der Elektroden ausgebildete Umsetzungsschicht ist, ebenfalls eine zunächst unerklärliche und allem Bekannten widersprechende Erscheinung: Die Ausbildung beliebig starker Schicht ist dadurch, daß es sich um sogenannte stromzeitabhängige Schichten handelt, ohne weiteres möglich, da ja nur die Einwirkungszeit des erzeugenden Stromes oder aber dessen Größe entsprechend erhöht zu werden braucht. Leider sind diesem Verlangen jedoch in der Praxis dadurch Grenzen gesetzt, daß die besonders dicken Schichten, wie auch sonst üblich, keine gute Haftfestigkeit mehr auf der Unterlage zeigen und während des Betriebes des Kondensators, von der Elektrode abgelöst werden, wodurch die Kapazität des Kandensators vernichtet wird. Auch zeugen besonders dicke Schichten (einige My stark) ein verändertes Aussehen und erscheinen rotbraun, entsprechend der bekannten Rostfarbe.
• Es- sei weiterhin erwähnt, daß auch die Konzentration des Elektrolyten, in dem die; Umsetzungsschicht gebildet wird, einen Einfluß auf die spätere Kapazitätsausbeute hat. So wurde beispielsweise festgestellt, daß bei Natronlauge als Elektrolyt höchstens eine 6o°/aige Lösung benutzt werden darf, da bei höheren Konzentrationen eine geeignete Schichtausbildung nicht mehr zu erzielen war.
• Während normale AluminiumoxydJElektrolyt-Kondensato,ren bei einer Betriebs-bzw. Formationsspannung von i Volt eine spezifische Kapazität von rund 2,uF/cm2 ergeben, benötigt die Kapazität bei den erfindungsgemäßen Kondensatotren io ooo ,ccF/cm2, was als vollkommen überraschend und ungewöhnlich zu bezeichnen ist. Dieser hohe Kapazitätswert gestattet bereits im Augenblick eine praktische Verwendung der Eisenkondensatoren, wenn auch ihre -Betriebsspannung zunächst nicht wesentlich über i bis höchstens 1,5 Volt liegt. Man kann bei höheren Betriebsspannungen durch Hintereinanderschalten entsprechend vieler Kondensatoren immer noch erhel)-liche Kapazitätswerte erreichen, die auf das Volumen des Kondensators bezogen, noch weitaus günstiger liegen als die Volumenkapazitäten von den bekannten elektrolytischen Kondensatoren. Wie Berechnungen, denen die zunächst noch unter großem Raumaufwand. hergestellten Eisenkondensatoren zugrunde lagen, ergaben, ist -es unter Umständen bis zu Betriebsspannungen von 200 bis 250 Volt zweckmäßiger, die v orbeschriebenem neuartigen Eisenoxydkondensatoren als die bekannten elektro, lytischen Kondensatoren zu verwenden.
• Bei dem Aufbau hintereinandergeschalteter Kondensatoren zur Erzielung höherer Betriebssp?nnungen kann man im Interesse eines raumarmen Aufbaues so vorgehen, daß man die Elektrodenplatten gleichzeitig als Trennwände zwischen den einzelnen Kondensatoren, d. h. zwischen den Elektrolyten der einzelnen Kondensatoren, verwendet, so daß die eine Flächenseite der Elektrode zu einem Kondensator und die andere Flächenseite der gleichen Elektrodenplatte zum nächsten Kondensator gehört.
• In der Zeichnung sind in Fig. i zwei hinterei:nandergesehaltete elektrolytische Zellen, die nach dem Kennzeichen der Erfindung aufgebaut sind. wiedergegeben. a. ist das Gefäß, in welchem der Elektrolyt b enthalten ist. Dieser besteht aus Kalilauge, Natronlauge oder einem anderen geeigneten alkalischen Bad. In diesen Elektrolyten tauchen jeweils zwei Elektrodenplatten c und d, deren jede aus Eisen oder einem äquivalenten Stoff besteht, welches auf der Oberfläche mit einer Umsetzungsschicht entsprechend den vorhergehenden Ausführungen bedeckt ist. Durch die Hintereinander-,,chaltung der beiden Kondensatoren kann dieser für eine Betriebsspannung von 2 bis 3 Volt benutzt werden. In der Fig. : ist eine für die Praxis geeignete Ausführungsform im Schnitt wiedergegeben. Die Elektrodenplatten e, f, g und h. bestehen im Kern wiederum aus Eisen oder, einem äquivalenten Stoff und sind auf der Oberfläche mit der beschriebenen Umsetzungsschicht i überzogen. Diese Platten sind unter Zwischenlage von Randdichtungen h aufeinandergeschichtet. Die zwischen ihnen befindlichen Hohlräume sind mit dem Elektro-Ivten I angefüllf. Es besteht also jeweils eine Kapazität zwischen e und f, f und g und g und h, so daß durch die Hintereinanderschaltung die Kapazität des Kondensators zwischen an und za, den Anschlußvorrichtungen, ein Drittel der Kapazität eines einzelnen Kondensators beträgt. Dafür kann die Betriebsspannung bis zu 4,5 Volt betragen. Bei einer wirksamen Oberfläche auf jeder Plattenseite voll 3 Cm2 würde also die Kondensationskapazität to ooo «F für Maximal .4,5 Volt sein.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrolytischer Kondensator ungewöhnlich hoher Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß seine Elektroden aus in einem alkalischen Bad, vorzugsweise in Kalilauge, anodisch oberhalb der Polarisationsspannung mit einer Umsetzungsschicht versehenerm Eisen oder einem äquivalenten Stoff und sein Elektrolyt aus Kalilange, Natronlauge od. dgl. besteht.
2. 2. Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der gewünschten Betriebsspannung mehrere Kondensatorplatten hintereinandergeschaltet sind.
3. 3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten gleichzeitig die Trennwände zwischen den einzelnen hintereinandergeschalteten Kondensatoren bilden.
4. Kondensator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus nor= malern Tiefziehblech bestehen.
5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Spannungseinwirkung in dem alkalischen Bad bei einer Temperatur von wenigstens 6o° C, zweckmäßigerweise über i,ov°' C, unterworfen werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einer solchen Spannungseinwirkung unterworfen werden, daß ein Strom von 1/z bis io Amp./dm2 Elektrodenoberfläche fließt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet. daß die Spannungseinwirkung bei der Erzeugung der Oxydschicht bei 5 Amp./dm2 ungefähr 2o Minuten lang aufrechterhalten wird. S. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt eine Natron-oder Kalilauge mit einer Konzentration von höchstens 6o % verwendet wird.