DE102015221050A1

DE102015221050A1 - Hermetisch versiegelter Kondensator für eine implantierbare medizinische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015221050A1
Application number: DE102015221050.2A
Authority: DE
Inventors: Lotfi Djebara; Ludek Kubes; Radek Matousek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2016-05-19
Also published as: FR3028659A1; US20160141110A1; CN105609314A; JP2016100602A; US9620293B2; CN105609314B; HK1218806A1; FR3028659B1; JP6721964B2

Abstract

Bereitgestellt wird ein Flüssigelektrolytkondensator, der eine Anode, einen Anodenanschlussdraht, einen Elektrolyten, ein Gehäuse mit einer Wand, die eine Anodenanschlussdrahtöffnung definiert, und eine Versiegelungsbaugruppe umfasst. Die Versiegelungsbaugruppe ist an der Anodenanschlussdrahtöffnung mit dem Gehäuse verbunden, und ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt sich hindurch. Die Versiegelungsbaugruppe umfasst ein Isolationsrohr, ein Metallblech und einen elastomeren Ring. Das Rohr nimmt den Anodenanschlussdraht auf und weist einen ersten Teil, der sich durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich im Innern des Gehäuses befindet, auf. Das Blech grenzt an eine Außenfläche der Wand, bedeckt die Anodenanschlussdrahtöffnung und enthält eine Öffnung, durch die hindurch sich der erste Teil des Rohrs erstreckt. Der Ring grenzt an eine Innenfläche der Wand und enthält eine Öffnung, durch die hindurch sich der zweite Teil des Rohrs erstreckt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Hochspannungselektrolytkondensatoren werden in vielen Anwendungen einschließlich implantierbarer medizinischer Vorrichtungen als Energiespeicherreservoirs eingesetzt. Diese Kondensatoren müssen eine hohe Energiedichte haben, da es wünschenswert ist, die Gesamtgröße der implantierten Vorrichtung zu minimieren. Dies gilt insbesondere für einen implantierbaren Kardioverter/Defibrillator (”ICD”), der auch als implantierbarer Defibrillator bezeichnet wird, da die Hochspannungskondensatoren, die zur Abgabe des Defibrillationspulses verwendet werden, bis zu einem Drittel des ICD-Volumens ausmachen können. Zwar wurden Fortschritte erzielt bei der Minimierung der Gesamtgröße der in ICDs verwendeten Kondensatoren durch die Verwendung von planaren Anoden auf Tantalbasis, die eine große innere Oberfläche, aber eine sehr geringe Dicke aufweisen, so dass sie leicht in ICDs eingebaut werden können, doch gibt es noch Probleme. Zum Beispiel werden die planaren Anoden anodisiert und dann in einem Gehäuse versiegelt, das eine hochgradig leitfähige und im Allgemeinen korrosive flüssige Elektrolytlösung enthält, wobei sich ein Anodenanschlussdraht aus dem Gehäuse heraus erstreckt. Leider können bei solchen Flüssigkondensatoren Probleme auftreten, wenn der Elektrolyt an der Versiegelung um den Anodenanschlussdraht aus dem Gehäuse austritt. Zum Beispiel können sich während des Betriebs Gase (z. B. Wasserstoff) entwickeln, die bewirken, dass sich innerhalb des Kondensators Druck aufbaut.
Im Lichte dessen wird häufig eine gasdichte hermetische Versiegelung (z. B. hermetische Metall-Glas-Metall-Versiegelung) eingesetzt, durch die hindurch sich der Anodenanschlussdraht sicher erstrecken kann. Die hermetische Metall-Glas-Metall-Versiegelung selbst kann jedoch zuweilen durch den flüssigen Elektrolyten korrodiert werden und undicht werden, und die geringe Dicke des Gehäuses macht die Gestaltung einer hermetischen Metall-Glas-Metall-Versiegelung, die ein Austreten des Elektrolyten wirksam verhindern kann, extrem schwierig.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem verbesserten hermetisch versiegelten Flüssigelektrolytkondensator zur Verwendung in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen, wie Defibrillatoren.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigelektrolytkondensator für eine implantierbare medizinische Vorrichtung offenbart, der eine planare Anode, einen Arbeitselektrolyten, ein Gehäuse und eine Versiegelungsbaugruppe enthält. Die planare Anode umfasst einen porösen Anodenkörper, der mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist, wobei sich ein Anodenanschlussdraht aus dem porösen Anodenkörper heraus erstreckt und der Arbeitselektrolyt mit der planaren Anode in elektrischem Kontakt steht. Die planare Anode und der Arbeitselektrolyt befinden sich im Innern des Gehäuses, und das Gehäuse hat eine Wand, die eine Anodenanschlussdrahtöffnung definiert. Die Versiegelungsbaugruppe ist an der Anodenanschlussdrahtöffnung mit dem Gehäuse verbunden und umfasst eine Metallmanschette, einen elastomeren Ring und ein Metallblech. Die Metallmanschette, die innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung positioniert ist und sich ins Innere des Gehäuses hinein erstreckt, definiert einen Hohlraum, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt. Der elastomere Ring, der sich innerhalb des Hohlraums befindet, enthält eine Öffnung, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt. Das Metallblech befindet sich ebenfalls innerhalb des Hohlraums und enthält ebenfalls eine Öffnung, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt. Weiterhin befindet sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Flüssigelektrolytkondensators für eine implantierbare medizinische Vorrichtung offenbart. Das Verfahren umfasst das Positionieren eines planaren porösen Anodenkörpers, der einen sich daraus erstreckenden Anodenanschlussdraht aufweist, innerhalb eines Gehäuses mit einer Seitenwand, in der eine Anodenanschlussdrahtöffnung gebildet ist, so dass sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch erstreckt, wobei eine Versiegelungsbaugruppe den Anodenanschlussdraht an der Anodenanschlussdrahtöffnung umgibt. Die Versiegelungsbaugruppe umfasst eine Metallmanschette, die sich innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung befindet und sich ins Innere des Gehäuses hinein erstreckt, wobei die Metallmanschette einen Hohlraum definiert, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; einen elastomeren Ring, der sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei der elastomere Ring eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; und ein Metallblech, das sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei das Metallblech eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt, und wobei sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums befindet. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bilden einer hermetischen Versiegelung zwischen der Versiegelungsbaugruppe und dem Anodenanschlussdraht.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Flüssigelektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Anode, die in dem Kondensator der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
3 eine Vorderansicht der Anode von 2;
4 eine perspektivische Ansicht, die den Zusammenbau der Anode von 2 in einem Gehäuse unter Bildung des in 1 gezeigten Kondensators zeigt;
5 eine perspektivische Explosionsansicht der Versiegelungsbaugruppe, die verwendet wird, um den Anodenanschlussdraht an einer Anodenanschlussdrahtöffnung in dem Gehäuse hermetisch mit dem Gehäuse zu versiegeln;
6 eine Explosionsquerschnittsansicht der Versiegelungsbaugruppe von 5;
7 eine montierte perspektivische Ansicht der Versiegelungsbaugruppe von 5 und 6;
8 eine Querschnittsansicht eines Teils des Gehäuses, nachdem der Anodenanschlussdraht unter Verwendung der Versiegelungsbaugruppe von 5 bis 7 hermetisch versiegelt wurde;
9 eine montierte perspektivische Ansicht der Versiegelungsbaugruppe von 5 bis 7, die zeigt, wo die Baugruppe während der Kondensatormontage geschweißt wird;
10 eine montierte perspektivische Querschnittsansicht der Versiegelungsbaugruppe von 5 bis 7, die zeigt, wo das Metallblech an den elastomeren Ring geschweißt wird; und
11 eine montierte perspektivische Querschnittsansicht der Versiegelungsbaugruppe von 5 bis 7, die zeigt, wo die Metallmanschette an das Gehäuse geschweißt wird.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert sind.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Flüssigelektrolytkondensator für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, der eine planare Anode, die einen porösen Anodenkörper, der mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist, und einen Anodenanschlussdraht, der sich aus dem porösen Anodenkörper heraus erstreckt, umfasst, einen Arbeitselektrolyten, der mit der planaren Anode in elektrischem Kontakt steht, ein Gehäuse, innerhalb dessen sich die planare Anode und der Arbeitselektrolyt befinden und das eine Wand hat, die eine Anodenanschlussdrahtöffnung definiert, und eine Versiegelungsbaugruppe, die an der Anodenanschlussdrahtöffnung mit dem Gehäuse verbunden ist und durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt, enthält. Insbesondere umfasst die Versiegelungsbaugruppe eine Metallmanschette, ein Metallblech und einen elastomeren Ring. Die Metallmanschette ist innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung positioniert und erstreckt sich ins Innere des Gehäuses hinein und definiert einen Hohlraum, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt. Indessen ruht der elastomere Ring innerhalb des Gehäuses, wie auch das Metallblech, wobei sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums befindet. In einigen Ausführungsformen kann der elastomere Ring einen sich verjüngenden Teil aufweisen, der sich innerhalb des Hohlraums befinden kann, wobei der Hohlraum sich entsprechend verjüngt, um den elastomeren Ring aufzunehmen. Die Versiegelungsbaugruppe kann gegebenenfalls ein Isolationsrohr umfassen, das den Anodenanschlussdraht aufnimmt und einen ersten Teil, der sich durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch ins Innere des Gehäuses erstreckt, aufweist. Eine solche Anordnung der Versiegelungsbaugruppe erzeugt an der Anodenanschlussdrahtöffnung eine hermetische Versiegelung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bildung eines Flüssigelektrolytkondensators zur Verwendung in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das Positionieren eines planaren porösen Anodenkörpers, der einen sich daraus erstreckenden Anodenanschlussdraht aufweist, innerhalb eines Gehäuses mit einer Seitenwand, in der eine Anodenanschlussdrahtöffnung gebildet ist, so dass sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch erstreckt, wobei eine Versiegelungsbaugruppe den Anodenanschlussdraht an der Anodenanschlussdrahtöffnung umgibt. Die Versiegelungsbaugruppe umfasst eine Metallmanschette, die sich innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung befindet und sich ins Innere des Gehäuses hinein erstreckt, wobei die Metallmanschette einen Hohlraum definiert, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; einen elastomeren Ring, der sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei der elastomere Ring eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; und ein Metallblech, das sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei das Metallblech eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt, und wobei sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums befindet. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bilden einer hermetischen Versiegelung zwischen der Versiegelungsbaugruppe und dem Anodenanschlussdraht. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die oben diskutierte besondere Anordnung der Versiegelungsbaugruppe, die eine Metallmanschette, ein Metallblech, einen elastomeren Ring und ein optionales Isolationsrohr umfasst, sowie das Verfahren zur Versiegelung einer in einem Kondensatorgehäuse gebildeten Anodenanschlussdrahtöffnung unter Verwendung der oben diskutierten Versiegelungsbaugruppenkomponenten zu einem Flüssigelektrolytkondensator führen, der eine verbesserte hermetische Versiegelung um den Anodenanschlussdraht herum aufweist, so dass der Arbeitselektrolyt nicht aus der Anodenanschlussdrahtöffnung, aus der heraus sich der Anodenanschlussdraht erstreckt, austritt. Zum Beispiel können die Komponenten in der resultierenden Metall-Elastomer-Versiegelung das Austreten von Flüssigkeit an der Anodenanschlussdrahtöffnung verhindern, da die Komponenten aufgrund der verwendeten Materialien mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden können. Weiterhin kann als Ergebnis der geringen Größe der Versiegelungsbaugruppe die Dicke des Kondensatorgehäuses, in dem die Versiegelungsbaugruppe verwendet wird, minimiert werden, was für in ICDs verwendete Flüssigelektrolytkondensatoren entscheidend ist, da ein zu dickes Gehäuse die Implantation der ICDs in den Körper schwierig macht. Andererseits können Glas-Metall-Versiegelungen solche Lecks im Allgemeinen nicht erfolgreich verhindern, wenn sie in Flüssigelektrolytkondensatoren verwendet werden. Außerdem glauben wird, ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, dass der Einschluss einer Metallmanschette in Kombination mit einem Metallblech die Effektivität der hermetischen Versiegelung weiter erhöhen kann, indem sie den elastomeren Ring während der Montage schützt und das Ausmaß des Kontakts zwischen dem elastomeren Ring und dem Arbeitselektrolyt reduziert.
Verschiedene Ausführungsformen des Kondensators der vorliegenden Erfindung werden jetzt ausführlicher beschrieben.
I. Versiegelungsbaugruppe
Anhand der 1 und 5 bis 11 wird jetzt eine Ausführungsform einer Versiegelungsbaugruppe 300 ausführlicher beschrieben. Die Versiegelungsbaugruppe 300 ist mit dem Gehäuse 12 des Kondensators 10 verbunden und sorgt für eine hermetische Versiegelung, durch die hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 sicher erstrecken kann. Insbesondere kann die Versiegelungsbaugruppe 300 eine in einer Seitenwand 200 eines Gehäuseelements 14 des Flüssigelektrolytkondensators 10 gebildete Anodenanschlussdrahtöffnung 34, durch die hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 des Flüssigelektrolytkondensators 10 erstreckt, hermetisch versiegeln (siehe 1).
In einer Ausführungsform, und wie es in den 5 bis 11 gezeigt ist, umfasst die Versiegelungsbaugruppe 300 ein Metallblech 301, einen elastomeren Ring 311 und eine Metallmanschette 317, wobei das Metallblech 301 und der elastomere Ring 311 Öffnungen 325 bzw. 327 umfassen, die einen Kanal definieren, durch den hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 und ein optionales Isolationsrohr 306 erstrecken können. Indessen umfasst die Metallmanschette 317 einen Hohlraum 328, in dem sich der elastomere Ring 311 und das Metallblech 301 befinden. Im Allgemeinen befindet sich das Metallblech 301 in Kontakt mit einer oberen Fläche 312 des elastomeren Rings 311 und kann als Deckel dienen, um den elastomeren Ring 311 innerhalb des Hohlraums 328 zu halten. Wie in den 6 und 8 gezeigt ist, weist das Metallblech 301 eine obere Fläche 302 und eine untere Fläche 303 auf. Das Metallblech 301 kann auch einen inneren Durchmesser 304 und einen äußeren Durchmesser 305 aufweisen, wobei der innere Durchmesser 304 eine Metallblechöffnung 325 definiert, durch die hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 erstrecken kann, wobei sich das Metallblech 301 an der in dem Kondensatorgehäuse 12 gebildeten Anodenanschlussdrahtöffnung 34 in einem Hohlraum 328 der Metallmanschette 317 befindet. Die Metallblechöffnung 325, wie sie durch den inneren Durchmesser 304 definiert ist, kann einen Durchmesser von etwa 0,001 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie etwa 0,005 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter, wie etwa 0,01 Millimeter bis etwa 2 Millimeter, aufweisen, solange sich das optionale Isolationsrohr 306 und der Anodenanschlussdraht 220, den das Isolationsrohr 306 (falls vorhanden) umgibt, durch die Metallblechöffnung 325 hindurch erstrecken können. Weiterhin kann der innere Durchmesser 304 des Metallblechs 301 über die gesamte Länge des Metallblechs 301 in y-Richtung im Wesentlichen konstant sein, um einen innigen Kontakt mit dem Anodenanschlussdraht 220 oder dem den Anodenanschlussdraht 220 umgebenden Isolationsrohr 306, falls vorhanden, aufrechtzuerhalten. Indessen kann der äußere Durchmesser 305 ein beliebiger Durchmesser sein, solange das Metallblech 301 sich eng in die Metallmanschette 317 schmiegen kann. Zum Beispiel kann der äußere Durchmesser weniger als etwa 8 Millimeter, wie etwa 0,025 Millimeter bis etwa 6,5 Millimeter, wie etwa 0,05 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, wie etwa 0,075 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, betragen. Außerdem ist das Metallblech 301 zwar als kreisförmiger Ring oder Scheibe gezeigt, doch ist dies nicht erforderlich, und die äußeren Abmessungen des Metallblechs können jede geeignete Form haben, wie oval, quadratisch, rechteckig, dreieckig usw., solange die Form zur Form der Metallmanschette 317 passt, in der sich das Metallblech 301 befindet und in das sich das Metallblech 301 eng hineinschmiegt.
Außerdem weist der elastomere Ring 311 der Versiegelungsbaugruppe 300 eine obere Fläche 312 und eine untere Fläche 313 auf. Der elastomere Ring 311 weist einen inneren Durchmesser 314, einen ersten äußeren Durchmesser 315 an seiner oberen Fläche 312 und einen zweiten äußeren Durchmesser 316 an seiner unteren Fläche 313 auf, wobei in einigen Ausführungsformen der zweite äußere Durchmesser 316 kleiner sein kann als der erste äußere Durchmesser 315. Der innere Durchmesser 314 definiert eine Öffnung 327 im elastischen Ring, durch die sich das optionale Isolationsrohr 306 und der Anodenanschlussdraht 220, den das Isolationsrohr 306 (falls vorhanden) umgibt, erstrecken können. Zum Beispiel kann die Öffnung 327 im elastischen Ring, wie sie durch den inneren Durchmesser 314 definiert ist, einen Durchmesser von etwa 0,001 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie etwa 0,005 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter, wie etwa 0,01 Millimeter bis etwa 2 Millimeter, aufweisen, solange sich der Anodenanschlussdraht 220 und das optionale Isolationsrohr 306 durch die Öffnung 327 im elastischen Ring hindurch erstrecken können, so dass der elastomere Ring 311 einen innigen Kontakt mit dem Isolationsrohr 306 aufrechterhält, um eine dichte Versiegelung zu gewährleisten. Weiterhin ist der innere Durchmesser 314 des elastomeren Rings 311 über die gesamte Länge des elastomeren Rings 311 in y-Richtung im Wesentlichen konstant, um einen innigen Kontakt mit dem Isolationsrohr 306, das den Anodenanschlussdraht 220 umgibt, aufrechtzuerhalten. Indessen kann die obere Fläche 312 des elastomeren Rings 311 in einigen Ausführungsformen einen größeren ersten äußeren Durchmesser 315, der sich entlang der Länge des elastomeren Rings 311 in y-Richtung verjüngt, aufweisen, so dass die untere Fläche 313 einen kleineren zweiten äußeren Durchmesser 316 aufweist. Diese Verjüngung kann einen ausreichenden Kontakt mit der Metallmanschette 317 gewährleisten, die den elastomeren Ring 311 stützen kann und eine Versiegelung mit dem Gehäuse 12 erzeugt, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird.
Dann kann die Metallmanschette 317 eine obere Fläche 318 und eine untere Fläche 319 aufweisen. Die Metallmanschette 317 weist einen ersten inneren Durchmesser 320, einen zweiten inneren Durchmesser 322, einen ersten äußeren Durchmesser 321 und einen zweiten äußeren Durchmesser 323 auf. Der erste innere Durchmesser 320 und der zweite innere Durchmesser 322 definieren einen Metallmanschettenhohlraum 328, durch den hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 und das Isolationsrohr 306, falls vorhanden, erstrecken können. Der erste innere Durchmesser 320 der Metallmanschette 317 kann größer sein als der zweite innere Durchmesser 322, so dass er das Metallblech 301 und den elastomeren Ring 311 aufnehmen und unterstützen kann, während er eine dichte oder enge Passung zwischen den Komponenten erzeugt. Weiterhin kann sich die Metallmanschette 317 in ähnlicher Weise wie der elastomere Ring 311 von der oberen Fläche 318 zur unteren Fläche 319 hin verjüngen, so dass der Kontakt zwischen dem elastomeren Ring 311 und der Metallmanschette 317 erhöht werden kann, um eine dichte Versiegelung zu gewährleisten, wenn das Metallblech 301 über dem elastomeren Ring 311 platziert wird, um als Deckel zu dienen, der den elastomeren Ring 311 in der Metallmanschette 317 eng an Ort und Stelle hält. Mit anderen Worten, die obere Fläche 318 der Metallmanschette 317 weist einen größeren inneren Durchmesser 320 und einen größeren ersten äußeren Durchmesser 321 auf, die sich entlang der Länge der Metallmanschette 317 in y-Richtung verjüngen, so dass die untere Fläche 319 einen kleineren zweiten inneren Durchmesser 322 und einen kleineren zweiten äußeren Durchmesser 323 aufweist. Zum Beispiel kann der zweite innere Durchmesser 322, durch den hindurch das optionale Isolationsrohr 306 und der Anodenanschlussdraht 220 eingeführt werden können, einen Durchmesser von etwa 0,001 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie etwa 0,005 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter, wie etwa 0,01 Millimeter bis etwa 2 Millimeter, aufweisen, solange sich das Isolationsrohr 306 und der Anodenanschlussdraht 220, den es umgibt, durch den Metallmanschettenhohlraum 328 erstrecken können, so dass die Metallmanschette 317 einen innigen Kontakt mit dem Anodenanschluss 220 oder dem Isolationsrohr 306 aufrechterhält, um eine dichte Versiegelung zu gewährleisten. Indessen ist der erste innere Durchmesser 320 groß genug, um das Metallblech 301 und den elastomeren Ring 311 aufzunehmen, aber klein genug, um eine dichte Versiegelung zwischen den Komponenten zu schaffen, etwa durch Laserschweißen oder Punktschweißen. Zum Beispiel kann der erste innere Durchmesser 320 im Allgemeinen einen Durchmesser aufweisen, der genau so groß ist wie der äußere Durchmesser 305 des Metallblechs 301 und der erste äußere Durchmesser 315 des elastomeren Rings 311. Daher kann der Metallring 317 einen sich verjüngenden Hohlraum 333 aufweisen, um den elastomeren Ring 311 und das Metallblech 301 aufzunehmen, wie es insbesondere in den 6 und 8 gezeigt ist.
Weiterhin weist das optionale Isolationsrohr 306, das den Anodenanschlussdraht 220 gegenüber den anderen Komponenten der Versiegelungsbaugruppe 300, wie dem Metallblech 301, sowie gegenüber dem Gehäuse 12 des Kondensators 10 isolieren kann, einen inneren Durchmesser 309 auf, wobei der innere Durchmesser 309 eine Isolationsrohröffnung 326 definiert, durch die hindurch sich der Anodenanschlussdraht 220 erstrecken kann. Das Isolationsrohr 306 weist auch ein oberes Ende 329 und ein unteres Ende 330 auf.
Die Isolationsrohröffnung 326, wie sie durch den inneren Durchmesser 309 definiert wird, kann einen Durchmesser von etwa 0,001 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie etwa 0,005 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter, wie etwa 0,01 Millimeter bis etwa 2 Millimeter, aufweisen, solange sich der Anodenanschlussdraht 220 durch die Isolationsrohröffnung 326 hindurch erstrecken und einen innigen Kontakt mit dem Isolationsrohr 306 aufrechterhalten kann, um eine dichte Versiegelung zu gewährleisten. Weiterhin ist der innere Durchmesser 309 des Isolationsrohrs 306 über die gesamte Länge des Isolationsrohrs 306 in y-Richtung im Wesentlichen konstant, um den innigen Kontakt mit dem Anodenanschlussdraht 220 über die gesamte Länge des Isolationsrohrs 306 aufrechtzuerhalten.
Die verschiedenen, oben diskutierten Komponenten der Versiegelungsbaugruppe 300 können so konfiguriert sein, dass sie den Anodenanschlussdraht 220 des Kondensators 10 in einer solchen Weise aufnehmen, dass an der Anodenanschlussdrahtöffnung 34 eine hermetische Versiegelung zwischen dem Anodenanschlussdraht 220 und dem Gehäuse 12 entsteht. Wenn wir uns auf die 6 und 8 beziehen, kann der elastomere Ring 311 zum Beispiel in die Metallmanschette 317 eingefügt werden, so dass sich die untere Fläche 313 des elastomeren Rings 311 mit der unteren Fläche 319 der Metallmanschette 317 in Kontakt befindet. Dann kann das Metallblech 301 in die Metallmanschette 317 eingefügt werden, so dass sich eine untere Fläche 303 der Metallmanschette 317 in Kontakt mit einer oberen Fläche 312 des elastomeren Rings 311 befindet. Danach kann die Versiegelungsbaugruppe 300 entweder von außerhalb des Gehäuses 12 oder von innerhalb des Gehäuses 13 her in die Anodenanschlussdrahtöffnung 34 in einer Seitenwand 14 des Gehäuses (siehe 1) eingefügt oder eingepresst werden. Dann kann der Anodenanschlussdraht 220 durch den Hohlraum 328 der Metallmanschette 317, die Öffnung 327 im elastischen Ring und die Metallblechöffnung 325 hindurch eingefügt werden.
Weiterhin kann, wenn ein Isolationsrohr 306 verwendet wird, der Anodenanschlussdraht 220 zuerst durch die Isolationsrohröffnung 326 des Isolationsrohrs 306 hindurch eingefügt werden, wobei die Isolationsrohröffnung, wie sie durch den inneren Durchmesser 309 des Isolationsrohrs definiert wird, gerade groß genug ist, um μm den Durchmesser 221 des Anodenanschlussdrahts 220 herum zu passen und einen festen Sitz zu schaffen, wonach der Anodenanschlussdraht 220 und das Isolationsrohr 306 durch den Hohlraum 328 der Metallmanschette 317, die Öffnung 327 im elastischen Ring und die Metallblechöffnung 325 hindurch eingefügt werden können, wobei das Isolationsrohr 306 einen ersten Teil, der sich aus der Seitenwand 20 des ersten Gehäuseelements 12 heraus nach außen erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich am elastomeren Ring 311 in das Innere 13 des Gehäuses 12 erstreckt, aufweisen kann. Alternativ dazu kann das Isolationsrohr 306 auch vor dem Einfügen des Anodenanschlussdrahts 220 durch die Öffnungen der Versiegelungsbaugruppe 300 hindurch eingefügt werden, und danach kann der Anodenanschlussdraht 220 durch den Hohlraum 328 der Metallmanschette 317, die Öffnung 327 im elastischen Ring und die Metallblechöffnung 325 hindurch eingefügt werden, wie es oben diskutiert ist. Auf jeden Fall können sich der Anodenanschlussdraht 220 und das optionale Isolationsrohr 306 aus der Außenfläche 27 der Seitenwand 20 heraus erstrecken, so dass sich ein erster Teil des Anodenanschlussdrahts 220 und ein erster Teil des Isolationsrohrs 306 über die Außenfläche 27 der Seitenwand 20 hinaus erstrecken, während ein zweiter Teil des Anodenanschlussdrahts 220 und ein zweiter Teil des Isolationsrohrs 306 innerhalb des Gehäuses bleiben, wobei das Isolationsrohr 306 im Allgemeinen als Hülse wirken kann, die sich fest um den Anodenanschlussdraht 220 herum schmiegt.
Unabhängig von der besonderen Art und Weise, in der die Versiegelungsbaugruppe 300 in die Anodenanschlussdrahtöffnung 34 eingefügt wird, können, nachdem sich die Versiegelungsbaugruppe 300 an Ort und Stelle befindet und nachdem der Anodenanschlussdraht 220 durch die Versiegelungsbaugruppe 300 hindurch eingefügt und in geeigneter Weise positioniert wurde, das Metallblech 301 und der elastomere Ring 311 zusammengeschweißt werden, wie auch die Metallmanschette 301 und das erste Gehäuseelement 14, um zu gewährleisten, dass der Anodenanschlussdraht 220 an der Anodenanschlussdrahtöffnung hermetisch versiegelt ist. In den 9 bis 11 sind die Stellen für die verschiedenen Schweißpunkte gezeigt. Wie in 9 gezeigt ist, kann das Metallblech 301 zum Beispiel um seinen Umfang herum geschweißt werden, wie etwa durch Laserschweißen oder Punktschweißen, wobei das Schweißen im Schweißbereich 335 eine effektive Versiegelung zwischen dem Metallblech 301 und dem elastomeren Ring 311 (nicht gezeigt) gewährleistet. 10 ist eine perspektivische Querschnittsansicht, die den Schweißbereich 335 zeigt, wo das Metallblech 301 an den elastomeren Ring 311 geschweißt werden kann, um eine effektive Versiegelung des Anodenanschlussdrahts 220 an der Anodenanschlussdrahtöffnung 34 zu schaffen. Indessen kann die Metallmanschette 317 im Schweißbereich 336 um seinen Umfang herum geschweißt werden, wie etwa durch Laserschweißen oder Punktschweißen, um eine effektive Versiegelung zwischen der Metallmanschette 317 und der Seitenwand 20 des ersten Gehäuseelements 14 zu gewährleisten. 11 ist eine perspektivische Querschnittsansicht, die den Schweißbereich 336 zeigt, wo die Metallmanschette 317 an einer oberen Fläche 27 der Seitenwand 20 an die Seitenwand 20 des ersten Gehäuseelements 14 geschweißt werden kann. Die Gesamtwirkung der Versiegelung des Metallblechs 301 an dem elastomeren Ring 311 und der Metallmanschette 317 an der Seitenwand 20 besteht darin, eine hermetische Versiegelung zu schaffen, die im Wesentlichen frei von Glas ist und im Vergleich zu Glas-Metall-Versiegelungen eine effektivere Versiegelung schaffen kann.
Die Komponenten der oben diskutierten Versiegelungsbaugruppe 300 können aus jedem Material bestehen, solange eine effektive hermetische Versiegelung gebildet werden kann. Zum Beispiel können das Metallblech 301 und die optionale Metallmanschette 317 aus einem leitfähigen Material, wie einem Metall, gebildet werden. Zum Beispiel können das Metallblech 301 und die optionale Metallmanschette 317 aus Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähigen Oxiden), Verbundstoffen davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. bestehen. In einer besonderen Ausführungsform können das Metallblech 301 und die Metallmanschette 317 Titan umfassen.
Indessen kann das Isolationsrohr 306 aus irgendeinem geeigneten isolierenden Material bestehen. Zum Beispiel kann das isolierende Material einen bei einer Temperatur von 20°C bestimmten elektrischen Widerstand von etwa 1 × 10² Ohm·m oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 1 × 10⁵ Ohm·m oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 1 × 10¹⁵ bis etwa 1 × 10²⁵ Ohm·m aufweisen. Zum Beispiel können Glasmaterialien als isolierendes Material eingesetzt werden, wie Glaszusammensetzungen, die CaO, Al₂O₃, B₂O₃, SrO, BaO, LiO₂, SiO₂, TiO₂, Na₂O, Kombinationen davon usw. enthalten. Bariumlanthanoborat-Glaszusammensetzungen, die Boroxid (B₂O₃), Bariumoxid (BaO), Lanthanoxid (LiO₂) und gegebenenfalls wenigstens ein weiteres Oxid enthalten, sind besonders gut geeignet. Solche Zusammensetzungen sind ausführlicher in den US-Patenten Nr. 5,648,302 und 5,104,738 (Brow et al.) beschrieben. Noch andere isolierende Materialien können Polymermaterialien umfassen, wie Fluorpolymere (z. B. Polytetrafluorethylen (”PTFE”), Perfluoralkylvinylether (”PVE”), Poly(tetrafluorethylen-co-perfluoralkylvinylether) (”PFA”), fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer (”FEP”), Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (”ETFE”), Polyvinylidenfluorid (”PVDF”), Polychlortrifluorethylen (”PCTFE”) und TFE-Copolymere mit VF2 und/oder HFP usw.); Polyvinylchlorid (”PVC”), Polysulfone (z. B. Polysulfon, Polyethersulfon usw.); Polyimide (z. B. Polyetherimid); Polyolefine (z. B. Polyethylen, Polypropylen usw.) usw. sowie Gemische davon.
Weiterhin kann der elastomere Ring 311 aus irgendeinem geeigneten Elastomer bestehen. Zum Beispiel kann der elastomere Ring 311 aus einem Elastomer bestehen, das resistent gegenüber Korrosion durch den Elektrolyten (im Folgenden diskutiert) ist und ausreichende Durchschlagfestigkeit aufweist, um die maximale, durch den Kondensator erzeugte Spannung auszuhalten. In einer Ausführungsform kann das Elastomer über einen Temperaturbereich von etwa –55°C bis etwa 200°C ohne Verschlechterung oder Elastizitätsverlust leistungsfähig sein. Beispiele für Elastomere, die eingesetzt werden können, sind Butylkautschuk, Chlorbutylkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Fluorelastomere, wie VITON^TM, Polytetrafluorethylen, Polychloroprenkautschuk, Butadienkautschuk, Nitrilkautschuk, Isoprenkautschuk, Silikonkautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk.
Die Versiegelungsbaugruppe der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, kann im Allgemeinen mit Hilfe einer Vielzahl von in der Technik bekannten Methoden in einen Flüssigelektrolytkondensator eingebaut werden. In dieser Hinsicht werden die verschiedenen zusätzlichen Komponenten des Flüssigelektrolytkondensators ausführlicher in Bezug auf die 1 bis 4 diskutiert.
II. Planare Anode
Die planare Anode wird typischerweise aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet. Die spezifische Ladung der Zusammensetzung kann variieren, wie von etwa 2000 μF·V/g bis etwa 80000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen von etwa 5000 μF·V/g bis etwa 40000 μF·V/g oder mehr und in einigen Ausführungsformen von etwa 10000 bis etwa 20000 μF·V/g. Die Ventilmetallzusammensetzung enthält ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine Verbindung, die auf einem Ventilmetall beruht, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. Zum Beispiel kann die Ventilmetallzusammensetzung ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob enthalten, wie ein Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. Bei dem Nioboxid kann es sich um NbO_0,2, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind in den US-Patenten Nr. 6,322,912 (Fife), 6,391,275 (Fife et al.), 6,416,730 (Fife et al.), 6,527,937 (Fife), 6,576,099 (Kimmel et al.), 6,592,740 (Fife et al.) und 6,639,787 (Kimmel et al.) und 7,220,397 (Kimmel et al.) sowie in den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.) und 2005/0013765 (Thomas et al.) beschrieben.
Zur Bildung der planaren Anode wird im Allgemeinen ein Pulver der Ventilmetallzusammensetzung eingesetzt. Das Pulver kann Teilchen mit einer Vielzahl von Formen enthalten, wie sphärolithisch, winklig, flockenförmig usw. sowie Gemische davon. Besonders gut geeignete Pulver sind Tantalpulver, die von der Cabot Corp. (z. B. flockiges Pulver C255, flockiges/sphärolithisches Pulver TU4D usw.) und von H. C. Starck (z. B. sphärolithisches Pulver NH175) erhältlich sind. Die Ventilmetallzusammensetzung kann mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Techniken gebildet werden. Ein Vorläufer-Tantalpulver kann zum Beispiel gebildet werden, indem man ein Tantalsalz (z. B. Kaliumfluorotantalat (K₂TaF₇), Natriumfluorotantalat (Na₂TaF₇), Tantalpentachlorid (TaCl₅) usw.) mit einem Reduktionsmittel (z. B. Wasserstoff, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium usw.) reduziert.
Unabhängig von dem besonderen eingesetzten Verfahren kann das resultierende Pulver bestimmte Merkmale besitzen, aufgrund derer es besser zu einer Kondensatoranode verarbeitet werden kann. Zum Beispiel können die in der Anode eingesetzten Teilchen im Wesentlichen flach sein. Der Grad der Flachheit wird im Allgemeinen durch das ”Aspektverhältnis” definiert, d. h. den mittleren Durchmesser oder die mittlere Breite der Teilchen, dividiert durch die mittlere Dicke (”D/T”). Zum Beispiel kann das Aspektverhältnis der Teilchen etwa 2 bis etwa 100, in einigen Ausführungsformen etwa 3 bis etwa 50, in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 30, betragen. Die Teilchen können auch eine spezifische Oberfläche von etwa 0,5 bis etwa 10,0 m²/g, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 bis etwa 5,0 m²/g und in einigen Ausführungsformen etwa 1,0 bis etwa 4,0 m²/g aufweisen. Der Ausdruck ”spezifische Oberfläche” ist oben ausführlicher definiert. Die Schüttdichte (auch als Scott-Dichte bekannt) beträgt ebenfalls typischerweise etwa 0,1 bis etwa 2 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³), in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 g/cm³ bis etwa 1,5 g/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 g/cm³ bis etwa 1 g/cm³. Die ”Schüttdichte” kann mit Hilfe eines Rieselmesstrichters und eines Dichtebechers bestimmt werden. Insbesondere kann die Probe durch den Trichter in den Becher gegossen werden, bis die Probe den Becher vollständig füllt und über den Rand des Bechers rieselt, und danach kann die Probe mit einem Spatel abgeplattet werden, ohne zu rütteln, so dass sie mit der Oberseite des Bechers gerade abschließt. Die abgeplattete Probe wird auf eine Waage übergeführt und auf 0,1 Gramm genau gewogen, um den Dichtewert zu bestimmen. Eine solche Apparatur ist von der Alcan Aluminum Corp. in Elizabeth, New Jersey, kommerziell erhältlich. Die Teilchen können auch eine mittlere Größe (z. B. Breite) von etwa 0,1 bis etwa 100 Mikrometer haben, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 70 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 50 Mikrometer.
Um den Aufbau der planaren Anode zu erleichtern, können auch bestimmte zusätzliche Komponenten in das Pulver mit aufgenommen werden. Zum Beispiel kann das Pulver gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie verpresst werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenglycol (z. B. Carbowax von Dow Chemical Co.), Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, hochmolekulare Polyether; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Fluorolefin-Copolymere, Acrylpolymere, wie Natriumpolyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und Copolymere von Niederalkylacrylaten und -methacrylaten; sowie Fettsäuren und Wachse, wie Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Pflanzenwachs, Mikrowachse (gereinigte Paraffine) usw. Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und dispergiert werden. Beispielhafte Lösungsmittel sind etwa Wasser, Alkohole usw. Wenn sie verwendet werden, kann der Prozentsatz der Bindemittel und/oder Gleitmittel von etwa 0,1 bis etwa 8 Gew.-% der Gesamtmasse variieren. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass Bindemittel und Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht zwingend erforderlich sind.
Das resultierende Pulver kann mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pressvorrichtung unter Bildung eines Grünkörpers kompaktiert werden. Zum Beispiel kann eine Pressvorrichtung eingesetzt werden, bei der es sich um eine Einplatz-Kompaktierpresse handelt, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Das Pulver kann um ein Anodenanschlussstück, wie einen Anodenanschlussdraht, herum kompaktiert werden. Der Anodenanschlussdraht kann aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden und/oder Nitriden davon usw., gebildet sein. Weiterhin kann der Anodenanschlussdraht einen Durchmesser von etwa 0,001 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie von etwa 0,005 Millimeter bis etwa 2,5 Millimeter, wie von etwa 0,01 Millimeter bis etwa 2 Millimeter, aufweisen.
Gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel kann nach dem Verpressen entfernt werden, wie etwa durch Erhitzen des gebildeten Presslings während mehrerer Minuten im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 500°C). Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch entfernt werden, indem man den Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt bringt, wie es im US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist. Danach wird der Pressling unter Bildung einer porösen integralen Masse gesintert. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bestimmte Sinterbedingungen zu einer Erhöhung der spezifischen Ladung der resultierenden Anode sowie einer Erhöhung der Durchschlagsspannung des resultierenden Kondensators führen können. Insbesondere wird der Pressling typischerweise bei einer Temperatur von etwa 800°C bis etwa 2000°C, in einigen Ausführungsformen von etwa 1200°C bis etwa 1800°C und in einigen Ausführungsformen von etwa 1500°C bis etwa 1700°C während einer Zeit von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 8 Minuten bis etwa 15 Minuten gesintert. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Falls gewünscht, kann das Sintern in einer Atmosphäre erfolgen, die die Übertragung von Sauerstoffatomen auf die Anode einschränkt. Zum Beispiel kann das Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., erfolgen. Die reduzierende Atmosphäre kann unter einem Druck von etwa 10 Torr bis etwa 2000 Torr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 1000 Torr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 930 Torr stehen. Gemische aus Wasserstoff und anderen Gasen (z. B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden. Wenn Flockenteilchen eingesetzt werden, können sie vielleicht besser den hohen Sintertemperaturen und verlängerten Sinterzeiten, die bei der Bildung der Anode häufig eingesetzt werden, widerstehen und einen porösen Sinterkörper mit geringer Schrumpfung und einer großen spezifischen Oberfläche bilden.
Nach dem Sintern schrumpft der Sinterkörper aufgrund der Zunahme von metallurgischen Bindungen zwischen den Teilchen. Da eine Schrumpfung im Allgemeinen die Dichte des Sinterkörpers erhöht, können niedrigere Pressdichten (”grün”) eingesetzt und dennoch die gewünschte Zieldichte erreicht werden. Zum Beispiel beträgt die Zieldichte des Sinterkörpers nach dem Sintern typischerweise etwa 5 bis etwa 8 Gramm pro Kubikzentimeter. Wegen des Schrumpfphänomens braucht der Pressling jedoch nicht auf so hohe Dichten gepresst zu werden, sondern kann stattdessen auf Dichten von weniger als etwa 6 Gramm pro Kubikzentimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 4,5 bis etwa 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter gepresst werden. Unter Anderem kann die Möglichkeit, geringere Gründichten einzusetzen, für erhebliche Kosteneinsparungen sorgen und die Verarbeitungseffizienz erhöhen. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Dichte nach dem Pressen möglicherweise nicht immer über den Pressling hinweg gleichmäßig ist, insbesondere wenn das Pressen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Drahtes erfolgt. Die Dichte nach dem Pressen wird nämlich dadurch bestimmt, dass man die Materialmenge durch das Volumen des Presslings dividiert. Das Volumen des Presslings ist direkt proportional zur Presslänge in der Richtung senkrecht zur Längsachse des Drahtes. Die Dichte ist umgekehrt proportional zur Presslänge. Die Presslänge ist also an den Stellen, die an den Draht angrenzen, tatsächlich geringer als an den übrigen Stellen des Presslings. Ebenso ist die Pressdichte an den Stellen, die an den Draht angrenzen, größer. Zum Beispiel ist die Dichte des Presslings an den Stellen, die an den Draht angrenzen, typischerweise um wenigstens etwa 10% größer und in einigen Fällen um wenigstens etwa 20% größer als die Pressdichte des Presslings an den übrigen Stellen des Presslings.
In den 2–3 ist zum Beispiel eine Ausführungsform einer planaren Anode 200 gezeigt, die einen Anodendraht 220 enthält. Der Anodendraht erstreckt sich in Längsrichtung (”y”-Richtung) von der planaren Anode 200 weg. Um den Anodendraht 220 in die planare Anode 200 einzubetten, kann eine Pressform partiell mit dem Pulver gefüllt werden, und dann kann ein Anodendraht in die Pressform eingefügt werden. Danach kann die Form mit Pulver gefüllt, und die gesamte Baugruppe zu einem Pressling gepresst werden.
Die resultierende planare Anode kann im Vergleich zu ihrer Gesamtlänge und Gesamtbreite eine geringe Gesamtdicke aufweisen, um die elektrischen Eigenschaften und die volumetrische Effizienz des resultierenden Kondensators zu verbessern. In 2 zum Beispiel stellt die Länge ”L” die Gesamtlänge der Anode 200 von einem ersten Ende 60 bis zu einem zweiten Ende 62 dar. In bestimmten Fällen kann die Länge ”L” der Anode 200 im Bereich von etwa 1 Millimeter bis etwa 80 Millimeter, wie etwa 10 Millimeter bis etwa 60 Millimeter, wie etwa 20 Millimeter bis etwa 50 Millimeter, liegen. Indessen kann ebenfalls in 2 die Breite ”W” der Anode etwa 0,5 Millimeter bis etwa 60 Millimeter, wie etwa 1 Millimeter bis etwa 40 Millimeter, wie etwa 5 Millimeter bis etwa 30 Millimeter, betragen. Weiterhin beträgt in 3 die Dicke ”H” der Anode typischerweise etwa 5 Millimeter oder weniger, wie etwa 0,05 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, wie etwa 0,1 Millimeter bis etwa 3,5 Millimeter, wie etwa 0,2 Millimeter bis etwa 2 Millimeter. Im Allgemeinen kann in einigen Ausführungsformen das Verhältnis der Länge ”L” der Anode zur Dicke ”H” der planaren Anode im Bereich von etwa 5 bis etwa 50, in einigen Ausführungsformen etwa 6 bis etwa 40 und in einigen Ausführungsformen etwa 7 bis etwa 30 liegen. Weiterhin kann das Verhältnis der Breite ”W” der Anode zur Dicke ”H” der Anode im Bereich von etwa 4 bis etwa 35, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 25 und in einigen Ausführungsformen etwa 6 bis etwa 20 liegen.
Obwohl sie in 2 als ”D-Form” gezeigt ist, sollte man sich außerdem auch darüber im Klaren sein, dass die planare Anode auch jede andere gewünschte Form besitzen kann, wie quadratisch, rechteckig, kreisförmig, oval, dreieckig usw. Vieleckige Formen mit mehr als vier (4) Seiten (z. B. Sechseck, Achteck, Siebeneck, Fünfeck usw.) können aufgrund ihrer relativ großen spezifischen Oberfläche besonders wünschenswert sein. In den 1 und 4 ist zum Beispiel weiterhin eine Ausführungsform eines Kondensators 10 gezeigt, die die in den 2–3 gezeigte planare Anode 200 umfasst. Obwohl nur eine einzige planare Anode gezeigt ist, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch mehrere Anoden (z. B. ein Stapel) eingesetzt werden können, wie es zum Beispiel in US-Patent Nr. 7,483,260 (Ziarniak et al.) beschrieben ist.
Außerdem enthält die planare Anode unabhängig von der besonderen Geometrie der planaren Anode auch ein Dielektrikum, das durch anodisches Oxidieren (”Anodisieren”) der gesinterten Anode gebildet wird, so dass eine dielektrische Schicht über und/oder innerhalb der planaren Anode entsteht. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst eine Lösung auf die Anode aufträgt, etwa indem man die Anode in den Elektrolyten eintaucht. Es können wässrige Lösungsmittel (z. B. Wasser) und/oder nichtwässrige Lösungsmittel (z. B. Ethylenglycol) eingesetzt werden. Um die Ionenleitfähigkeit zu verstärken, kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Beispiele für solche Verbindungen sind zum Beispiel Säuren, wie sie im Folgenden in Bezug auf den Elektrolyten beschrieben sind. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure) etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% der Anodisierungslösung ausmachen. Falls gewünscht, können auch Gemische von Säuren eingesetzt werden.
Ein Strom wird durch die Anodisierungslösung geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Formierungsspannung entspricht der Dicke der dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums über der gesamten Oberfläche der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Temperatur der Anodisierungslösung kann im Bereich von etwa 10°C bis etwa 200°C, in einigen Ausführungsformen etwa 20°C bis etwa 150°C und in einigen Ausführungsformen etwa 30°C bis etwa 100°C liegen. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden. Wenn das Pulver eingesetzt wird, kann seine spezielle Natur ermöglichen, dass die resultierende Anode auch bei den hohen Formierungsspannungen, die in der vorliegenden Erfindung häufig eingesetzt werden, eine hohe spezifische Ladung erreicht. Zum Beispiel kann die Anode innerhalb der oben genannten Bereiche dennoch eine spezifische Ladung von etwa 2000 μF·V/g bis etwa 20000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 5000 μF·V/g bis etwa 15000 μF·V/g oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 8000 bis etwa 12000 μF·V/g erreichen.
III. Kathode
Außer der Versiegelungsbaugruppe und der planaren Anode wird in dem Kondensator auch eine Kathode eingesetzt, die mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken gebaut werden kann. In einer Ausführungsform enthält die Kathode ein Metallsubstrat, das ein beliebiges Metall umfassen kann, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. Titan und Tantal sowie Legierungen davon sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Die geometrische Konfiguration des Substrats kann im Allgemeinen variieren, wie dem Fachmann wohlbekannt ist, wie in Form eines Behälters, Bechers, Folie, Blech, Sieb, Netz usw. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Metallsubstrat in einer Ausführungsform zum Beispiel das Kondensatorgehäuse bilden, in dem die planare Anode offenbart ist, und ein solches Gehäuse kann eine D-Form oder jede andere Form, die im Wesentlichen der Form der planaren Anode entspricht, aufweisen. Zum Beispiel sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung jede geometrische Konfiguration eingesetzt werden kann, wie zylindrisch, rechteckig, dreieckig, prismatisch usw.
Das Substrat kann aufgeraut werden, um seine spezifische Oberfläche zu erhöhen und den Grad, bis zu dem ein elektrochemisch aktives Material daran haften kann, zu erhöhen. In einer Ausführungsform zum Beispiel wird die Oberfläche chemisch geätzt, etwa durch Auftragen einer Lösung einer ätzenden Substanz (z. B. Salzsäure) auf die Oberfläche. Die Oberfläche kann auch elektrochemisch geätzt werden, etwa durch Anlegen einer Spannung an eine Lösung der ätzenden Substanz, so dass diese eine Elektrolyse erfährt. Die Spannung kann auf ein ausreichend hohes Niveau erhöht werden, um eine ”Funkenbildung” an der Oberfläche des Substrats auszulösen, was vermutlich ausreichend hohe lokale Oberflächentemperaturen erzeugt, die das Substrat wegätzen. Diese Technik ist ausführlicher im US-Patent Nr. 8,279,585 (Dreissig et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Neben chemischen oder elektrochemischen Aufrauungstechniken kann auch mechanisches Aufrauen eingesetzt werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann die Oberfläche des Metallsubstrats gestrahlt werden, indem man einen Strom von Schleifkörpern (z. B. Sand) gegen wenigstens einen Teil seiner Oberfläche schleudern lässt.
Es kann auch ein elektrochemisch aktives Material auf das Kathodensubstrat aufgetragen werden, um die Korrosion zu hemmen und auch als Wärmebarriere zu wirken, wenn die Spannung erhöht wird. Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von bekannten elektrochemisch aktiven Materialien eingesetzt werden. Ein geeignetes Material ist ein leitfähiges Polymer, wie solche, die π-konjugiert sind und nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen (z. B. eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS·cm^-1 nach der Oxidation). Beispiele für solche π-konjugierten leitfähigen Polymere sind zum Beispiel Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw.), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw.
Substituierte Polythiophene sind zur Verwendung als elektrochemisch aktives Material in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet, da sie eine besonders gute mechanische Robustheit und elektrische Leistungsfähigkeit aufweisen. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass beim Aufladen des Kondensators auf eine hohe Spannung (z. B. größer als die Formierungsspannung) Ionen des Elektrolyten in Beschichtungen, die solche substituierten Polythiophene enthalten, gezwungen werden. Dies bewirkt, dass das leitfähige Polymer ”aufquillt” und die Ionen in der Nähe der Oberfläche zurückhält, wodurch die Ladungsdichte erhöht wird. Da das Polymer im Allgemeinen amorph und nichtkristallin ist, kann es auch die mit der hohen Spannung verbundene Wärme abführen und/oder absorbieren. Wir glauben auch, dass das substituierte Polythiophen beim Entladen ”entspannt” und im Elektrolyten vorhandene Ionen sich aus der Beschichtung heraus bewegen lässt. Durch diesen Aufquell- und Entspannungsmechanismus kann die Ladungsdichte in der Nähe des Metallsubstrats ohne eine chemische Reaktion mit dem Elektrolyten erhöht werden. Dementsprechend können mechanische Robustheit und gute elektrische Eigenschaften erhalten werden, ohne dass herkömmliche leitfähige Beschichtungen, wie solche aus Aktivkohle oder Metalloxiden (z. B. Rutheniumoxid), benötigt werden. Tatsächlich können ausgezeichnete Ergebnisse erreicht werden, wenn man die Beschichtung als Hauptmaterial auf dem Metallsubstrat verwendet. Das heißt, die Beschichtung kann wenigstens etwa 90 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 92 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 95 Gew.-% der auf dem Metallsubstrat vorhandenen Materialien ausmachen. Dennoch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch andere leitfähige Beschichtungen verwendet werden können.
In einer besonderen Ausführungsform weist das substituierte Polythiophen die folgende allgemeine Struktur auf:
wobei
T = O oder S ist;
D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest (z. B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest (z. B. Methyl, Ethyl, n-Propyl oder Isopropyl, n-, iso-, sek- oder tert-Butyl, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n-Hexadecyl, n-Octadecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z. B. Benzyl, o-, m-, p-Tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6, 3,4-, 3,5-Xylyl, Mesityl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest; und
q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 ist; und
n = 2 bis 5000, in einigen Ausführungsformen 4 bis 2000 und in einigen Ausführungsformen 5 bis 1000 ist. Beispiele für Substituenten für die Reste ”D” oder ”R₇” sind zum Beispiel Alkyl, Cycloalkyl, Aryl, Aralkyl, Alkoxy, Halogen, Ether, Thioether, Disulfid, Sulfoxid, Sulfon, Sulfonat, Amino, Aldehyd, Keto, Carbonsäureester, Carbonsäure, Carbonat, Carboxylat, Cyano, Alkylsilan- und Alkoxysilangruppen, Carboxylamidgruppen usw.
Besonders gut geeignete Thiophenpolymere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel kann das Polymer gegebenenfalls substituiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) sein, das die folgende allgemeine Struktur hat:
Verfahren zur Bildung von leitfähigen Polymeren wie den oben beschriebenen sind in der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,987,663 (Merker et al.) verschiedene Techniken zur Bildung von substituierten Polythiophenen aus einem monomeren Vorläufer. Der monomere Vorläufer kann zum Beispiel die folgende Struktur haben:
wobei
T, D, R₇ und q wie oben definiert sind. Besonders gut geeignete Thiophenmonomere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel können gegebenenfalls substituierte 3,4-Alkylendioxythiophene eingesetzt werden, die die folgende allgemeine Struktur haben:
wobei R₇ und q wie oben definiert sind. In einer besonderen Ausführungsform ist ”q” = 0. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich. Weitere geeignete Monomere sind auch im US-Patent Nr. 5,111,327 (Blohm et al.) und 6,635,729 (Groenendahl et al.) beschrieben. Derivate dieser Monomere, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind, können ebenfalls eingesetzt werden. Höhermolekulare Derivate, d. h. Tetramere, Pentamere usw., der Monomere sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und können in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Thiophenmonomere werden in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert. Der oxidative Katalysator umfasst typischerweise ein Übergangsmetallkation, wie Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)-, Ruthenium(III)-Kation usw. Es kann auch ein Dotierungsmittel eingesetzt werden, um dem leitfähigen Polymer überschüssige Ladung zu verleihen und die Leitfähigkeit des Polymers zu stabilisieren. Das Dotierungsmittel umfasst typischerweise ein anorganisches oder organisches Anion, wie ein Ion einer Sulfonsäure. In bestimmten Ausführungsformen weist der in der Vorläuferlösung eingesetzte oxidative Katalysator insofern sowohl eine katalytische als auch eine dotierende Funktionalität auf, als er ein Kation (z. B. Übergangsmetall) und ein Anion (z. B. Sulfonsäure) enthält. Der oxidative Katalysator kann zum Beispiel ein Übergangsmetallsalz sein, das Eisen(III)-Kationen enthält, wie Eisen(III)-Halogenide (z. B. FeCl₃) oder Eisen(III)-Salze anderer anorganischer Säuren, wie Fe(ClO₄)₃ oder Fe₂(SO₄)₃, und die Eisen(III)-Salze organischer Säuren und anorganischer Säuren, die organische Reste umfassen. Beispiele für Eisen(III)-Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremonoestern von C₁- bis C₂₀-Alkanolen (z. B. das Eisen(III)-Salz von Laurylsulfat). Ebenso sind Beispiele für Eisen(III)-Salze von organischen Säuren zum Beispiel Eisen(III)-Salze von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Methan-, Ethan-, Propan-, Butan- oder Dodecansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); Eisen(III)-Salze von aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Eisen(III)-Salze von Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Camphersulfonsäure); usw. Gemische dieser oben genannten Eisen(III)-Salze können ebenfalls verwendet werden. Eisen(III)-p-toluolsulfonat, Eisen(III)-o-toluolsulfonat und Gemische davon sind besonders gut geeignet. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für Eisen(III)-p-toluolsulfonat ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM C erhältlich.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um eine leitfähige Polymerschicht zu bilden. In einer Ausführungsform werden der oxidative Katalysator und das Monomer entweder nacheinander oder zusammen aufgetragen, so dass die Polymerisationsreaktion in situ auf dem Teil stattfindet. Zu den geeigneten Auftragstechniken gehören Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung; sie können verwendet werden, um eine leitfähige Polymerbeschichtung zu bilden. Als Beispiel kann das Monomer zunächst unter Bildung einer Vorlauferlösung mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden. Sobald das Gemisch gebildet ist, kann es aufgetragen und polymerisieren gelassen werden, so dass die leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche entsteht. Alternativ dazu können der oxidative Katalysator und das Monomer auch nacheinander aufgetragen werden. In einer Ausführungsform wird der oxidative Katalysator zum Beispiel in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst und dann als Tauchlösung aufgetragen. Das Teil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen. Danach kann das Teil in eine Lösung, die das Monomer enthält, eingetaucht werden. Die Polymerisation wird typischerweise je nach dem verwendeten Oxidationsmittel und der gewünschten Reaktionszeit bei Temperaturen von etwa –10°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 200°C durchgeführt. Geeignete Polymerisationstechniken, wie sie oben beschrieben sind, sind ausführlicher in dem US-Patent Nr. 7,515,396 (Biler) beschrieben. Noch andere Verfahren zum Auftragen einer oder mehrerer solcher leitfähigen Polymerbeschichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5,457,862 (Sakata et al.), 5,473,503 (Sakata et al.), 5,729,428 (Sakata et al.) und 5,812,367 (Kudoh et al.) beschrieben.
Neben der in-situ-Auftragung kann eine leitfähige Polymerschicht auch in Form einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen aufgetragen werden. Obwohl ihre Größe variieren kann, ist es typischerweise wünschenswert, dass die Teilchen einen kleinen Durchmesser besitzen, um die zum Befestigen des Substrats verfügbare Oberfläche zu vergrößern. Zum Beispiel können die Teilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 300 Nanometer haben. Der D₉₀-Wert der Teilchen (Teilchen mit einem Durchmesser kleiner oder gleich dem D₉₀-Wert bilden 90% des Gesamtvolumens aller festen Teilchen) kann etwa 15 Mikrometer oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Mikrometer oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Nanometer bis etwa 8 Mikrometer betragen. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden.
Wenn gewünscht, können ein oder mehrere der oben beschriebenen Auftragungsschritte wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der Beschichtung erreicht ist. In einigen Ausführungsformen wird jedes Mal nur eine relativ dünne Schicht der Beschichtung gebildet. Die gewünschte Gesamtdicke der Beschichtung kann im Allgemeinen je nach den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Typischerweise hat die resultierende leitfähige Polymerbeschichtung eine Dicke von etwa 0,2 Mikrometer (”μm”) bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 μm bis etwa 20 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 μm bis etwa 5 μm. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Dicke der Beschichtung nicht notwendigerweise an allen Stellen des Teils dieselbe ist. Dennoch fällt die mittlere Dicke der Beschichtung auf dem Substrat im Allgemeinen in die oben genannten Bereiche.
Die leitfähige Polymerschicht kann gegebenenfalls geflickt werden. Das Flicken kann nach jeder Auftragung einer leitfähigen Polymerschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten Beschichtung erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Polymer geflickt werden, indem man das Teil in eine Elektrolytlösung eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung anlegt, bis die Stromstärke auf ein vorgewähltes Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann dieses Flicken auch in mehreren Schritten bewerkstelligt werden. Zum Beispiel kann eine Elektrolytlösung eine verdünnte Lösung des Monomers, des Katalysators und des Dotierungsmittels in einem Alkohollösungsmittel (z. B. Ethanol) sein. Die Beschichtung kann gegebenenfalls auch gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssige Reagentien usw. zu entfernen.
IV. Arbeitselektrolyt
Der Kondensator umfasst auch einen Arbeitselektrolyten (nicht gezeigt), der im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit, wie einer Lösung (z. B. wässrig oder nichtwässrig), Dispersion, Gel usw. vorliegt. Der Arbeitselektrolyt befindet sich in dem Gehäuse und ist ein elektrisch aktives Material, das für den Verbindungsweg zwischen der planaren Anode und der Kathode sorgt. Falls gewünscht, kann die planare Anode zunächst mit einem Elektrolyten (nicht gezeigt) imprägniert werden, bevor sie innerhalb des Gehäuses positioniert wird. Der Elektrolyt kann auch in einem späteren Stadium der Produktion zu dem Kondensator gegeben werden. Verschiedene geeignete Elektrolyte sind in den US-Patenten Nr. 5,369,547 und 6,594,140 (Evans et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Typischerweise ist der Elektrolyt ionenleitend und hat eine Ionenleitfähigkeit von etwa 1 bis etwa 100 Millisiemens pro Zentimeter (”mS/cm”), in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 80 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 70 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 60 mS/cm, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C unter Verwendung irgendeines bekannten Messgeräts für die elektrische Leitfähigkeit (z. B. Oakton Con Series 11). Innerhalb der oben genannten Bereiche ermöglicht die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten vermutlich eine Ausdehnung des elektrischen Felds in den Elektrolyten bis zu einer ausreichenden Länge (Debye-Länge), um zu einer signifikanten Ladungstrennung zu führen. Dadurch wird die potentielle Energie des Dielektrikums auf den Elektrolyten ausgedehnt, so dass der resultierende Kondensator noch mehr potentielle Energie speichern kann, als es durch die Dicke des Dielektrikums vorhergesagt wird. Mit anderen Worten, der Kondensator kann bis zu einer Spannung, die der Formierungsspannung des Dielektrikums entspricht oder diese übersteigt, aufgeladen werden. Das Verhältnis der Spannung, bis zu der der Kondensator aufgeladen werden kann, zur Formierungsspannung kann zum Beispiel etwa 0,80 bis etwa 2 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,85 bis etwa 1,5 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,86 bis etwa 1,20 betragen. Zum Beispiel kann die Spannung, bis zu der der Kondensator aufgeladen wird, etwa 150 bis etwa 300 V, in einigen Ausführungsformen etwa 180 bis etwa 260 V und in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis etwa 240 V betragen. Die Formierungsspannung kann ebenfalls im Bereich von etwa 180 Volt bis etwa 320 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 200 Volt bis etwa 280 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 220 Volt bis etwa 250 Volt liegen. Der Arbeitselektrolyt ist außerdem relativ neutral und weist somit einen pH-Wert von etwa 4,5 bis etwa 8,0, in einigen Ausführungsformen etwa 5,0 bis etwa 7,5, in einigen Ausführungsformen etwa 5,5 bis etwa 7,0 und in einigen Ausführungsformen etwa 6,0 bis etwa 6,5 auf. Unter Anderem kann ein solcher pH-Wert die Fähigkeit der in einem wässrigen Elektrolyten vorhandenen Wasserstoffionen, mit dem Kathodenmaterial in Wechselwirkung zu treten, verstärken und dadurch eine maximale Kapazität und damit Energiedichte erreichen.
Die gewünschte Ionenleitfähigkeit kann dadurch erreicht werden, dass man ionische Verbindungen (z. B. Säuren, Basen, Salze usw.) innerhalb bestimmter Konzentrationsbereiche auswählt. In einer bestimmten Ausführungsform können Salze von schwachen organischen Säuren effektiv sein bezüglich des Erreichens der gewünschten Leitfähigkeit des Elektrolyten. Das Kation des Salzes kann einatomige Kationen, wie Alkalimetalle (z. B. Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ oder Cs⁺), Erdalkalimetalle (z. B. Be²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ oder Ba²⁺), Übergangsmetalle (z. B. Ag⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ usw.), sowie mehratomige Kationen, wie NH₄ ⁺, umfassen. Monovalentes Ammonium (NH₄ ⁺), Natrium (Na⁺) und Lithium (Li⁺) sind besonders gut geeignete Kationen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Die zur Bildung des Anions des Salzes verwendete organische Säure ist ”schwach” in dem Sinne, dass sie typischerweise eine erste Säuredissoziationskonstante (pK_a1) von etwa 0 bis etwa 11, in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 10 aufweist, bestimmt bei 25°C. In der vorliegenden Erfindung können beliebige geeignete schwache organische Säuren verwendet werden, wie Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Apfelsäure, Ölsäure, Gallsäure, Weinsäure (z. B. D-Weinsäure, meso-Weinsäure usw.), Zitronensäure, Ameisensäure, Essigsäure, Glycolsäure, Oxalsäure, Propionsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Glutarsäure, Gluconsäure, Milchsäure, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Trifluoressigsaure, Barbitursäure, Zimtsäure, Benzoesäure, 4-Hydroxybenzoesäure, Aminobenzoesäure usw., Gemische davon usw. Mehrbasige Säuren (z. B. zweibasige, dreibasige usw.) sind für die Verwendung bei der Bildung des Salzes besonders gut geeignet, wie Adipinsäure (pK_a1 von 4,43 und pK_a2 von 5,41), α-Weinsäure (pK_a1 von 2,98 und pK_a2 von 4,34), meso-Weinsäure (pK_a1 von 3,22 und pK_a2 von 4,82), Oxalsäure (pK_a1 von 1,23 und pK_a2 von 4,19), Milchsäure (pK_a1 von 3,13, pK_a2 von 4,76 und pK_a3 von 6,40) usw.
Während die tatsächlichen Mengen je nach dem besonderen eingesetzten Salz, seiner Löslichkeit in dem bzw. den im Elektrolyten verwendeten Lösungsmitteln und der Gegenwart anderer Komponenten, variieren können, sind solche Salze schwacher organischer Säuren in dem Elektrolyten typischerweise in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 40 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 35 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,3 bis etwa 30 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 25 Gew.-% vorhanden.
Der Elektrolyt ist typischerweise insofern wässrig, als er ein wässriges Lösungsmittel, wie Wasser (z. B. deionisiertes Wasser), enthält. Zum Beispiel kann Wasser (z. B. deionisiertes Wasser) etwa 20 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 40 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Es kann auch ein sekundäres Lösungsmittel eingesetzt werden, wobei ein Lösungsmittelgemisch entsteht. Zu den geeigneten sekundären Lösungsmitteln gehören zum Beispiel Glycole (z. B. Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol, Dipropylenglycol usw.), Glycolether (z. B. Methylglycolether, Ethylglycolether, Isopropylglycolether usw.), Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol), Ketone, (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat, Methoxypropylacetat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat usw.), Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) usw. Solche Lösungsmittelgemische enthalten typischerweise Wasser in einer Menge von etwa 40 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 60 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des Lösungsmittelsystems und sekundäre Lösungsmittel in einer Menge von etwa 20 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 25 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 30 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% des Lösungsmittelsystems. Ebenso macht, wenn solche Gemische eingesetzt werden, Wasser typischerweise etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 35 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% des Elektrolyten aus, und sekundäre Lösungsmittel können etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen.
Es werden auch ein oder mehrere Säuren oder pH-Regulatoren eingesetzt, um das Erreichen der gewünschten pH- und Leitfähigkeitswerte zu unterstützen. Zu den geeigneten Säuren gehören zum Beispiel anorganische Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw.; organische Säuren einschließlich Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Apfelsäure, Ölsäure, Gallsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Ameisensäure, Essigsäure, Ethylendiamintetraessigsäure (”EDTA”), Glycolsäure, Oxalsäure, Propionsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Glutarsäure, Gluconsäure, Milchsäure, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Trifluoressigsäure, Barbitursäure, Zimtsäure, Benzoesäure, 4-Hydroxybenzoesäure, Aminobenzoesäure usw., Sulfonsäuren, wie Methansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Naphthalindisulfonsäure, Hydroxybenzolsulfonsäure usw., polymere Säuren, wie Polyacryl- oder Polymethacrylsäure und Copolymere davon (z. B. Maleinsäure-Acrylsäure-, Sulfonsäure-Acrylsäure- und Styrol-Acrylsäure-Copolymere), Carrageensäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure usw., usw. EDTA kann zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet sein, da es nicht nur den pH-Wert des Elektrolyten reduzieren kann, sondern auch als Maskierungsmittel für Metallverunreinigungen, die in den Teilchen vorhanden sein können, dienen kann.
Die Gesamtkonzentration der Säuren kann zwar variieren, doch sind sie typischerweise in einer Menge von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des Elektrolyten vorhanden. In einer besonderen Ausführungsform kann auch ein Gemisch von verschiedenen Säuren eingesetzt werden, wie ein Gemisch aus einer anorganischen und einer organischen Säure. In solchen Ausführungsformen können anorganische Säuren (z. B. Phosphorsäure) etwa 0,005 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen, und organische Säuren (z. B. EDTA) können ebenso etwa 0,005 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen.
Der Elektrolyt kann auch andere Komponenten enthalten, die dabei helfen, die elektrischen Eigenschaften des Kondensators zu verbessern. Zum Beispiel kann ein Depolarisator in dem Elektrolyten eingesetzt werden, der dabei helfen soll, die Entwicklung von Wasserstoffgas an der Kathode des Elektrolytkondensators zu hemmen, welches andernfalls bewirken könnte, dass sich der Kondensator ausbeult und schließlich versagt. Wenn er eingesetzt wird, macht der Depolarisator normalerweise etwa 1 bis etwa 500 ppm, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 200 ppm und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 ppm des Elektrolyten aus. Zum Beispiel machen die Depolarisatoren normalerweise etwa 0,01 bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 2 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 1 Gew.-% des Elektrolyten aus.
Zu den geeigneten Depolarisatoren gehören nitroaromatische Verbindungen, wie 2-Nitrophenol, 3-Nitrophenol, 4-Nitrophenol, 2-Nitrobenzoesäure, 3-Nitrobenzoesäure, 4-Nitrobenzoesäure, 2-Nitroacetophenon, 3-Nitroacetophenon, 4-Nitroacetophenon, 2-Nitroanisol, 3-Nitroanisol, 4-Nitroanisol, 2-Nitrobenzaldehyd, 3-Nitrobenzaldehyd, 4-Nitrobenzaldehyd, 2-Nitrobenzylalkohol, 3-Nitrobenzylalkohol, 4-Nitrobenzylalkohol, 2-Nitrophthalsäure, 3-Nitrophthalsäure, 4-Nitrophthalsäure usw. Besonders gut geeignete nitroaromatische Depolarisatoren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind Nitrobenzoesäuren, Anhydride oder Salze davon, die mit einer oder mehreren Alkylgruppen (z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl usw.) substituiert sind. Spezielle Beispiele für solche alkylsubstituierten Nitrobenzoesäureverbindungen sind zum Beispiel 2-Methyl-3-nitrobenzoesäure, 2-Methyl-6-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-2-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-4-nitrobenzoesäure, 3-Methyl-6-nitrobenzoesäure, 4-Methyl-3-nitrobenzoesäure, Anhydride oder Salze davon usw.
In einer besonderen Ausführungsform kann der Arbeitselektrolyt in Form eines viskoelastischen ”Gels” vorliegen, das im Allgemeinen als feste oder halbfeste kolloidale Suspension definiert ist, die eine kontinuierliche Phase und eine disperse Phase enthält, wobei wenigstens eine der Phasen ein Feststoff ist und wenigstens eine der Phasen eine Flüssigkeit ist. Zum Beispiel kann ein Hydrogel entstehen, wenn die anorganischen Oxidteilchen unter Bildung einer kontinuierlichen Phase vernetzt sind und das Lösungsmittel in diesem Netzwerk eingeschlossenes Wasser als disperse Phase enthält. Unabhängig von seiner genauen Form liegt das viskoelastische Gel innerhalb des Kondensators als halbfester Stoff oder Feststoff vor, so dass es bei Raumtemperatur nicht ohne Weiteres fließfähig ist. Diese Eigenschaft kann durch den viskoelastischen Phasenwinkel δ repräsentiert werden, bei dem es sich um das Ausmaß der Phasenverschiebung zwischen der wellenartigen zeitlichen Variation der Spannung und der wellenartigen zeitlichen Variation der Schergeschwindigkeit handelt. Der Phasenwinkel δ für einen idealen elastischen Feststoff beträgt 0° (phasengleich), und der Phasenwinkel δ für eine ideale viskose Flüssigkeit beträgt 90° (phasenverschoben). In der vorliegenden Erfindung weist der gelierte Elektrolyt typischerweise einen Phasenwinkel δ von 0° bis etwa 20° auf, in einigen Ausführungsformen 0,1° bis etwa 5° und in einigen Ausführungsformen etwa 0,2° bis etwa 2°. Ein weiterer Parameter, der das viskoelastische Verhalten des Gels repräsentieren kann, ist der Speichermodul G', der dadurch bestimmt wird, dass man die ”phasengleiche” Komponente der Spannung (die das festkörperartige Verhalten repräsentiert) durch die maximale Dehnung dividiert. Typischerweise weist der gelierte Elektrolyt der vorliegenden Erfindung einen Speichermodul von etwa 5 Kilopascal (kPa) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 kPa oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 50 kPa auf. Der Phasenwinkel und der Speichermodul können bei Raumtemperatur (z. B. 25°C) durch dynamische oszillatorische Messung (z. B. Frequenz von 10 Hz und Druck von 5 Pa) mit einem Rheometer, das eine Kegel-Platten-Konfiguration aufweist, bestimmt werden.
Um die Kombination aus hoher Leitfähigkeit und einem neutralen pH-Wert zu erreichen, kann der Gel-Arbeitselektrolyt eine Kombination aus dem Salz der schwachen organischen Säure, dem Lösungsmittelsystem und dem oben diskutierten pH-Regulator (Säure) in Verbindung mit anorganischen Oxidteilchen enthalten, um dazu beizutragen, die gewünschte Viskosität und die gewünschten elektrischen Eigenschaften des Kondensators zu erreichen. Die Menge der anorganischen Oxidteilchen im Elektrolyten kann je nach dem erforderlichen Gelierungsgrad sowie der besonderen Art und Konzentration anderer Komponenten in dem Elektrolyten variieren. Typischerweise jedoch bilden die anorganischen Oxidteilchen etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Elektrolyten.
Die Teilchen können je nach dem gewünschten Ergebnis verschiedene Formen, Gestalten und Größen besitzen. Zum Beispiel können die Teilchen mit der Form einer Kugel, eines Kristalls, eines Stäbchens, einer Scheibe, eines Röhrchens, Fadens usw. vorliegen. Die mittlere Größe der Teilchen kann kleiner als etwa 1000 Nanometer sein und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 200 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 50 Nanometer betragen. Der hier verwendete Ausdruck ”mittlere Größe eines Teilchens” bezieht sich auf seine mittlere Länge, Breite, Höhe und/oder seinen mittleren Durchmesser. Die Teilchen haben auch typischerweise eine hohe spezifische Oberfläche, wie etwa 50 Quadratmeter pro Gramm (m²/g) bis etwa 1000 m²/g, in einigen Ausführungsformen etwa 100 m²/g bis etwa 600 m²/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150 m²/g bis etwa 400 m²/g. Der Ausdruck ”spezifische Oberfläche” bezieht sich allgemein auf die Oberfläche, die durch das Verfahren der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.) von Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas bestimmt wurde. Der Test kann mit einem MONOSORB^® Specific Surface Area Analyzer durchgeführt werden, der von der QUANTACHROME Corporation, Syosset, NY, erhältlich ist und die Menge des adsorbierbaren Stickstoffgases, das auf einer festen Oberfläche adsorbiert wird, misst, indem er auf die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines strömenden Gemischs aus Adsorbat und inertem Trägergas (z. B. Helium) reagiert. Außerdem können die Teilchen auch relativ unporös oder massiv sein. Das heißt, die Teilchen können ein Porenvolumen aufweisen, das kleiner ist als etwa 0,5 Milliliter pro Gramm (ml/g), in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,4 Milliliter pro Gramm, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,3 ml/g und in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 ml/g bis etwa 0,3 ml/g. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass Teilchen, die eine so geringe Größe, hohe spezifische Oberfläche und massive Natur aufweisen, die Gelierungsrate verbessern und die Gleichmäßigkeit und Stabilität der resultierenden Suspension erhöhen können.
Die anorganischen Oxidteilchen können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen; dazu gehören unter Anderem Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Kupferoxid usw. sowie Kombinationen davon. Die Teilchen können auch mit Hilfe eines pyrogenen Verfahrens, durch Fällung usw. gebildet werden. Aufgrund ihrer höheren spezifischen Oberfläche und kleineren Teilchengröße sind pyrogene Teilchen jedoch zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Pyrogene Kieselsäure ist zum Beispiel amorphes SiO₂, das durch Dampfphasenhydrolyse von Siliciumtetrachlorid in einer Knallgasflamme hergestellt werden kann. Durch Verschmelzen der Primärteilchen werden in der Flamme dreidimensionale verzweigtkettige Aggregate erzeugt. Während des Abkühlens agglomerieren diese Aggregate zu einem feinen Pulver, das eine Teilchengröße innerhalb der oben genannten Bereiche aufweist. Pyrogene Kieselsäure besitzt Silanolgruppen, die unter sauren Bedingungen unter Bildung eines Netzwerks reagieren können. Das resultierende vernetzte Siloxan ist eine Verbindung aus Silicium und Sauerstoff, bei der jedes Siliciumatom an vier Sauerstoffatome gebunden ist und dabei in analoger Weise zur Bindung von Kohlenstoff an Wasserstoff in Methan eine tetraedrische Struktur bildet, wobei die Bindungen in jedem Fall etwa dieselbe Stärke aufweisen. Diese Struktur findet man im Dioxid und in Silicaten allgemein, wobei die SiO₄-Gruppen in Ketten oder Ringen auftreten. Durch Bildung von Siloxanvernetzungen entsteht ein Gel, das die flüssige Phase des Elektrolyten einschließt. Zu den kommerziell geeigneten pyrogenen Kieselsäureteilchen gehören zum Beispiel die von der Cabot Corporation unter der Bezeichnung CAB-O-SIL^® erhältlichen.
Die Komponenten des Elektrolyten können auf vielerlei Art und Weise miteinander kombiniert werden, entweder vor und/oder nach ihrem Einbau in den Kondensator. In einer besonderen Ausführungsform kann der Elektrolyt gelieren gelassen werden, bevor er mit der Anode und/oder Kathode in Kontakt gebracht wird. Wenn die Komponenten des Elektrolyten zum Beispiel anfangs miteinander kombiniert werden, kann der Elektrolyt in Form eines Sols vorliegen, das Teilchen als disperse Phase enthält. Solche Sole können jedoch nach mehreren Verfahren katalysiert werden, um die Gelierung zu induzieren. Beispiele dafür sind die Einstellung des pH-Werts und/oder der Temperatur des Sols auf einen Punkt, an dem die Gelierung erfolgt. Alternativ dazu kann das Sol auch einer kontrollierten Form von Energie (z. B. Wärme, Ultraschall, UV-Licht, Elektronenstrahlung usw.) ausgesetzt werden, um die Gelierung zu induzieren. Die Verwendung von Ultraschallenergie (z. B. Ultraschallsonden) ist besonders wünschenswert, da sie die Notwendigkeit, den pH-Wert oder die Temperatur des Elektrolyten zu verändern, minimiert.
Der Elektrolyt kann auf vielerlei Weise in den Kondensator eingebaut werden. In einer Ausführungsform wird der Elektrolyt zum Beispiel einfach zu dem Kondensator gegeben, nachdem die Anode und Kathode in der gewünschten Konfiguration positioniert sind. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung einer Einfüllöffnung erreicht werden. Die Anode kann auch mit dem Elektrolyten vorimprägniert werden, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten, bevor sie im Kondensator platziert wird. Durch die Imprägnierung der Anode mit dem Elektrolyten kann weiterhin der Grad des Kontakts zwischen der Anode und dem Elektrolyten verstärkt werden. In jedem Fall kann der Elektrolyt eine niedrige Anfangsviskosität und damit eine gewisse Fließfähigkeit haben, so dass er genau in den Kondensator eingebaut werden kann. Zum Beispiel kann der Elektrolyt, wenn er in Form eines Gels vorliegt, eine Anfangsviskosität (z. B. 1 Stunde oder weniger nachdem die Gelierung eingeleitet wurde) im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Centipoise, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 30 Centipoise und in einigen Ausführungsformen etwa 3 bis etwa 10 Centipoise aufweisen, bestimmt mit Hilfe eines Brookfield-LVT-Viskometers (Spindel Nr. 3 bei 60 U/min) bei einer Temperatur von 25°C. Ebenso kann das Gel einen Anfangsphasenwinkel δ von etwa 50° bis 90°, in einigen Ausführungsformen etwa 60° bis 90° und in einigen Ausführungsformen etwa 80° bis 90° sowie einen Anfangsspeichermodul G' von etwa 1 Kilopascal oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Kilopascal oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0 bis etwa 0,01 Kilopascal aufweisen.
Nach Einbau in den Kondensator kann der Elektrolyt jedoch weitergelieren, bis die Viskosität erhöht ist, wie auf eine Viskosität mit einem Phasenwinkel δ und/oder einem Speichermodul G' innerhalb der oben genannten Zielbereiche. Dieser Übergang in einen ”halbfesten” oder ”festen” Zustand kann relativ bald, nachdem die Gelierung induziert wurde, stattfinden, wie etwa 1 bis etwa 100 Stunden, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 80 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 60 Stunden danach. Der Übergang kann auch stattfinden, bevor und/oder nachdem die Anode in den Kondensator eingebaut und mit der Kathode in Kontakt gebracht wurde. Falls gewünscht, kann ein zusätzlicher ”Füllelektrolyt” hinzugefügt werden, um zu gewährleisten, dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen der imprägnierten Anode und der Kathode besteht. Dieser Füllelektrolyt kann im Einklang mit der vorliegenden Erfindung oder aus anderen bekannten Komponenten gebildet werden.
Unabhängig von den besonderen Merkmalen der Versiegelungsbaugruppe, der planaren Anode, der Kathode und des Arbeitselektrolyten befinden sich die planare Anode 200 und andere Komponenten im Allgemeinen innerhalb eines Gehäuses 12, von dem ein Teil auch als Kathode für den Kondensator dienen kann. Weiterhin kann elektrochemisch aktives Material (nicht gezeigt) auf wenigstens einen Teil des Gehäuses 12 aufgetragen werden, um die Korrosion zu hemmen und auch als Wärmebarriere zu wirken, wenn die Spannung erhöht wird. In einer Ausführungsform wird wenigstens ein Teil des Gehäuses 12 im Allgemeinen aus einem Metall gebildet, und dazu kann jedes Metall gehören, wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw., das mit einem elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist (Kathode). Titan und Tantal sowie Legierungen davon sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. In anderen Ausführungsformen kann ein Teil des Gehäuses aus einem nichtmetallischen Material gebildet sein. Die geometrische Konfiguration des Substrats kann im Allgemeinen variieren, wie dem Fachmann wohlbekannt ist, wie in Form eines Behälters, Gehäuses, Folie, Blech, Sieb, Netz usw. In einer Ausführungsform zum Beispiel bildet das Metallsubstrat ein planares Gehäuse mit einer D-Form. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung jede geometrische Konfiguration eingesetzt werden kann, wie quadratisch, kreisförmig, rechteckig, dreieckig, prismatisch usw. Das Gehäuse kann auch einen Deckel umfassen, der die Anode und den Elektrolyten bedeckt und der aus demselben Material wie das Gehäuse oder einem anderen gebildet sein kann.
Unabhängig von den besonderen Merkmalen des Gehäuses und davon, ob es gegebenenfalls das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst oder nicht, kann die besondere Art und Weise, wie die Anode in das Gehäuse eingebaut wird, mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken erreicht werden. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Anode 200 innerhalb des Gehäuses 12, das aus einem ersten Gehäuseelement 14 und einem zweiten Gehäuseelement 16 besteht, positioniert werden. Das erste Gehäuseelement 14 kann eine Stirnwand 18 aufweisen, die mit einer umgebenden Seitenwand 20 mit einer äußeren Fläche 27 und einer inneren Fläche 28, die sich bis zu einem Rand 22 erstreckt, zusammengefügt ist. Indessen kann das zweite Gehäuseelement 16 in Form einer Platte vorliegen und kann eine zweite Stirnwand 24 mit einem umgebenden Rand 26 enthalten. Die Gehäuseelemente 14 und 16 können durch Verschweißen (z. B. Laserschweißen) der überlappenden Ränder 22 und 26, wo sie miteinander in Kontakt stehen, hermetisch miteinander versiegelt sein, nachdem die Anode 200 und die Versiegelungsbaugruppe 300 gegebenenfalls in das Gehäuse 12 eingebaut wurden. Unabhängig von der besonderen Konfiguration kann das Gehäuse 12 eine Dicke ”H₂” von weniger als etwa 8 Millimeter, wie etwa 0,075 Millimeter bis etwa 7 Millimeter, wie etwa 0,1 Millimeter bis etwa 6 Millimeter, wie etwa 0,2 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, aufweisen. Weiterhin können die Gehäuseelemente 14 und/oder 16 analog zu dem Metallsubstrat sein, das oben in Abschnitt III in Bezug auf die Kathode beschrieben wurde, so dass ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial, wie eine leitfähige Polymerbeschichtung (nicht gezeigt), auf seiner Innenfläche abgeschieden werden kann. Alternativ dazu kann sich auch ein getrenntes Metallsubstrat angrenzend an das Gehäuseelement 14 und/oder 16 befinden und mit der leitfähigen Polymerbeschichtung beschichtet werden, um als Kathode zu dienen. Dennoch wird vor dem Zusammenschweißen der Gehäuseelemente 14 und 16 die Anodenanschluss-Versiegelungsbaugruppe 300 um den Anodenanschluss 220 und die Seitenwand 20 des ersten Gehäuseelements 14 herum montiert, um an der Anodenanschlussdrahtöffnung 34 eine hermetische Versiegelung zu schaffen, wie es oben in Bezug auf Abschnitt I ausführlich diskutiert wurde.
Nach der Montage der Anode innerhalb des Gehäuses und der Versiegelung (z. B. Schweißen), wie es oben diskutiert wurde, kann der Arbeitselektrolyt gegebenenfalls durch einen Einfüllanschluss 120, wie er in 1 gezeigt ist, oder durch irgendeine andere geeignete Methode in das Gehäuse 12 eingeführt werden. Das Einfüllen kann dadurch erreicht werden, dass man den Kondensator 10 in eine Vakuumkammer bringt, so dass sich der Einfüllanschluss 120 in ein Reservoir des Arbeitselektrolyten hinein erstreckt. Wenn die Kammer evakuiert wird, wird der Druck innerhalb des Kondensators 10 reduziert. Wenn das Vakuum wieder aufgehoben wird, kommt der Druck innerhalb des Kondensators 10 wieder ins Gleichgewicht, und der Elektrolyt wird durch den Einfüllanschluss 120 in den Kondensator 10 gesogen.
Außer den oben diskutierten Komponenten können, obwohl sie nicht gezeigt sind, auch ein oder mehrere Separatoren eingesetzt werden, die dazu beitragen, die Anode und die mit leitfähigem Polymer beschichtete Kathode gegeneinander zu isolieren. Beispiele für geeignete Materialien für diesen Zweck sind zum Beispiel poröse Polymermaterialien (z. B. Polypropylen, Polyethylen usw.), poröse anorganische Materialien (z. B. Glasfasermatten, poröses Glaspapier usw.), Ionenaustauscherharzmaterialien usw. Besondere Beispiele sind Membranen aus ionischem perfluorierten Sulfonsäurepolymer (z. B. Nafion^TM von E. I. DuPont de Nemours & Co.), Membranen aus sulfoniertem Fluorkohlenstoffpolymer, Membranen aus Polybenzimidazol (PBI) und Membranen aus Polyetheretherketon (PEEK). Obwohl er einen direkten Kontakt zwischen der Anode und Kathode verhindert, ermöglicht der Separator das Fließen eines Ionenstroms des Elektrolyten zu den Elektroden.
Unabhängig von seiner besonderen Konfiguration kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann der Kondensator eine hohe volumetrische Effizienz aufweisen, wie etwa 50000 μF·V/cm³ bis etwa 300000 μF·V/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 60000 μF·V/cm³ bis etwa 200000 μF·V/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 80000 μF·V/cm³ bis etwa 150000 μF·V/cm³, bestimmt bei einer Frequenz von 120 Hz und bei Raumtemperatur (z. B. 25°C). Die volumetrische Effizienz wird bestimmt, indem man die Formierungsspannung eines Teils mit seiner Kapazität multipliziert und dann das Produkt durch das Volumen des Teils dividiert. Zum Beispiel kann die Formierungsspannung 175 Volt für ein Teil mit einer Kapazität von 520 μF betragen, was zu einem Produkt von 91000 μF·V führt. Wenn das Teil ein Volumen von etwa 0,8 cm³ einnimmt, führt dies zu einer volumetrischen Effizienz von etwa 113750 μF·V/cm³.
Der Kondensator kann auch eine hohe Energiedichte aufweisen, die ihn für die Verwendung in Hochpulsanwendungen geeignet macht. Die Energie wird im Allgemeinen gemäß der Gleichung E = 1/2·CV² bestimmt, wobei C die Kapazität in Farad (F) ist und V die Arbeitsspannung des Kondensators in Volt (V) ist. Die Kapazität kann zum Beispiel mit einem Kapazitätsmesser (z. B. Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen, 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal) bei Betriebsfrequenzen von 10 bis 120 Hz (z. B. 120 Hz) und einer Temperatur von etwa 25°C gemessen werden. Zum Beispiel kann der Kondensator eine Dichte der gespeicherten Energie von etwa 2,0 Joule pro Kubikzentimeter (J/cm³) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 3,0 J/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 3,5 J/cm³ bis etwa 10,0 J/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 4,0 bis etwa 8,0 J/cm³ aufweisen. Die Kapazität kann ebenso etwa 1 Millifarad pro Quadratzentimeter (”mF/cm²”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 mF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 50 mF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 8 bis etwa 20 mF/cm² betragen. Der Kondensator kann auch eine relativ hohe ”Durchschlagspannung” (Spannung, bei der der Kondensator versagt), wie etwa 180 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 210 Volt bis etwa 260 Volt aufweisen.
Der äquivalente Serienwiderstand (”ESR”), also das Ausmaß, bis zu dem der Kondensator beim Aufladen und Entladen in einer elektronischen Schaltung wie ein Widerstand wirkt, kann auch weniger als etwa 15000 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 10000 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 5000 Milliohm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 4500 Milliohm betragen, gemessen mit 2 Volt Vorspannung und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 120 Hz. Außerdem kann der Leckstrom, der sich allgemein auf den Strom bezieht, der von einem Leiter durch einen Isolator hindurch zu einem benachbarten Leiter fließt, auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden. Zum Beispiel beträgt der numerische Wert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,5 μA/μF·V und in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,1 μA/μF·V, wobei ”μA” Mikroampère bedeutet und μF·V das Produkt aus Nennkapazität und Nennspannung ist. Der Leckstrom kann mit einer Leckstrom-Testeinrichtung (z. B. MC 190 Leakage Test, Mantracourt Electronics LTD, UK) bei einer Temperatur von etwa 25°C und einer bestimmten Nennspannung nach einer Aufladungszeit von etwa 60 bis etwa 300 Sekunden gemessen werden. Solche ESR- und normierten Leckstromwerte können sogar nach Alterung während einer erheblichen Zeitspanne bei hohen Temperaturen aufrechterhalten werden. Zum Beispiel können die Werte etwa 100 Stunden oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 300 Stunden bis etwa 2500 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 400 Stunden bis etwa 1500 Stunden (z. B. 500 Stunden, 600 Stunden, 700 Stunden, 800 Stunden, 900 Stunden, 1000 Stunden, 1100 Stunden oder 1200 Stunden) bei Temperaturen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 200°C (z. B. 100°C, 125°C, 150°C, 175°C oder 200°C) aufrechterhalten werden.
Der Elektrolytkondensator der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden; dazu gehören unter anderem medizinische Geräte, wie implantierbare Defibrillatoren, Schrittmacher, Kardioverter, Nervenstimulatoren, Wirkstoffverabreichungsvorrichtungen usw., Kraftfahrzeuganwendungen, militärische Anwendungen, wie RADAR-Systeme, Unterhaltungselektronik, wie Radios, TV-Geräte usw., usw. In einer Ausführungsform kann der Kondensator zum Beispiel in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung eingesetzt werden, die so konfiguriert ist, dass sie eine therapeutische Hochspannungsbehandlung (z. B. zwischen ungefähr 500 Volt und ungefähr 850 Volt oder wünschenswerterweise zwischen ungefähr 600 Volt und ungefähr 900 Volt) für einen Patienten bietet. Die Vorrichtung kann einen Behälter oder ein Gehäuse enthalten, der bzw. das hermetisch abgedichtet und biologisch inert ist. Ein oder mehrere Anschlussdrähte sind über eine Vene elektrisch zwischen der Vorrichtung und dem Herzen des Patienten eingekoppelt. Herzelektroden werden bereitgestellt, um die Herzaktivität abzugreifen und/oder eine Spannung für das Herz bereitzustellen. Wenigstens ein Teil der Anschlüsse (z. B. ein Endteil der Anschlüsse) kann in der Nachbarschaft oder in Kontakt mit einer Herzklappe und/oder einer Herzkammer bereitgestellt werden. Die Vorrichtung kann auch eine Kondensatorbank enthalten, die typischerweise zwei oder mehr Kondensatoren enthält, welche in Reihe geschaltet und an eine Batterie gekoppelt sind, die sich innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung befindet und Energie an die Kondensatorbank liefert. Zum Teil aufgrund der hohen Leitfähigkeit kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete elektrische Eigenschaften erreichen und somit für die Verwendung in der Kondensatorbank der implantierbaren medizinischen Vorrichtung geeignet sein.
Unabhängig von seiner besonderen Konfiguration kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann der Kondensator eine hohe volumetrische Effizienz aufweisen, wie etwa 50000 μF·V/cm³ bis etwa 300000 μF·V/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 60000 μF·V/cm³ bis etwa 200000 μF·V/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 80000 μF·V/cm³ bis etwa 150000 μF·V/cm³, bestimmt bei einer Frequenz von 120 Hz und bei Raumtemperatur (z. B. 25°C). Die volumetrische Effizienz wird bestimmt, indem man die Formierungsspannung eines Teils mit seiner Kapazität multipliziert und dann das Produkt durch das Volumen des Teils dividiert. Zum Beispiel kann die Formierungsspannung 175 Volt für ein Teil mit einer Kapazität von 520 μF betragen, was zu einem Produkt von 91000 μF·V führt. Wenn das Teil ein Volumen von etwa 0,8 cm³ einnimmt, führt dies zu einer volumetrischen Effizienz von etwa 113750 μF·V/cm³.
Der Kondensator kann auch eine hohe Energiedichte aufweisen, die ihn für die Verwendung in Hochpulsanwendungen geeignet macht. Die Energie wird im Allgemeinen gemäß der Gleichung E = 1/2·CV² bestimmt, wobei C die Kapazität in Farad (F) ist und V die Arbeitsspannung des Kondensators in Volt (V) ist. Die Kapazität kann zum Beispiel mit einem Kapazitätsmesser (z. B. Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen, 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal) bei Betriebsfrequenzen von 10 bis 120 Hz (z. B. 120 Hz) und einer Temperatur von etwa 25°C gemessen werden. Zum Beispiel kann der Kondensator eine Dichte der gespeicherten Energie von etwa 2,0 Joule pro Kubikzentimeter (J/cm³) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 3,0 J/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 3,5 J/cm³ bis etwa 10,0 J/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 4,0 bis etwa 8,0 J/cm³ aufweisen. Die Kapazität kann ebenso etwa 1 Millifarad pro Quadratzentimeter (”mF/cm²”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 mF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 50 mF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 8 bis etwa 20 mF/cm² betragen. Der Kondensator kann auch eine relativ hohe ”Durchschlagspannung” (Spannung, bei der der Kondensator versagt), wie etwa 180 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 210 Volt bis etwa 260 Volt aufweisen.
Der äquivalente Serienwiderstand (”ESR”), also das Ausmaß, bis zu dem der Kondensator beim Aufladen und Entladen in einer elektronischen Schaltung wie ein Widerstand wirkt, kann auch weniger als etwa 15000 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 10000 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 5000 Milliohm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 4500 Milliohm betragen, gemessen mit 2 Volt Vorspannung und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 120 Hz. Außerdem kann der Leck-Strom, der sich allgemein auf den Strom bezieht, der von einem Leiter durch einen Isolator hindurch zu einem benachbarten Leiter fließt, auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden. Zum Beispiel beträgt der numerische Wert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,5 μA/μF·V und in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 0,1 μA/μF·V, wobei ”μA” Mikroampère bedeutet und μF·V das Produkt aus Nennkapazität und Nennspannung ist. Der Leckstrom kann mit einer Leckstrom-Testeinrichtung (z. B. MC 190 Leakage Test, Mantracourt Electronics LTD, UK) bei einer Temperatur von etwa 25°C und einer bestimmten Nennspannung nach einer Aufladungszeit von etwa 60 bis etwa 300 Sekunden gemessen werden. Solche ESR- und normierten Leckstromwerte können sogar nach Alterung während einer erheblichen Zeitspanne bei hohen Temperaturen aufrechterhalten werden. Zum Beispiel können die Werte etwa 100 Stunden oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 300 Stunden bis etwa 2500 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 400 Stunden bis etwa 1500 Stunden (z. B. 500 Stunden, 600 Stunden, 700 Stunden, 800 Stunden, 900 Stunden, 1000 Stunden, 1100 Stunden oder 1200 Stunden) bei Temperaturen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 100°C bis etwa 200°C (z. B. 100°C, 125°C, 150°C, 175°C oder 200°C) aufrechterhalten werden.
Der Elektrolytkondensator der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden; dazu gehören unter anderem medizinische Geräte, wie implantierbare Defibrillatoren, Schrittmacher, Kardioverter, Nervenstimulatoren, Wirkstoffverabreichungsvorrichtungen usw., Kraftfahrzeuganwendungen, militärische Anwendungen, wie RADAR-Systeme, Unterhaltungselektronik, wie Radios, TV-Geräte usw., usw. In einer Ausführungsform kann der Kondensator zum Beispiel in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung eingesetzt werden, die so konfiguriert ist, dass sie eine therapeutische Hochspannungsbehandlung (z. B. zwischen ungefähr 500 Volt und ungefähr 850 Volt oder wünschenswerterweise zwischen ungefähr 600 Volt und ungefähr 900 Volt) für einen Patienten bietet. Die Vorrichtung kann einen Behälter oder ein Gehäuse enthalten, der bzw. das hermetisch abgedichtet und biologisch inert ist. Ein oder mehrere Anschlussdrähte sind über eine Vene elektrisch zwischen der Vorrichtung und dem Herzen des Patienten eingekoppelt. Herzelektroden werden bereitgestellt, um die Herzaktivität abzugreifen und/oder eine Spannung für das Herz bereitzustellen. Wenigstens ein Teil der Anschlüsse (z. B. ein Endteil der Anschlüsse) kann in der Nachbarschaft oder in Kontakt mit einer Herzklappe und/oder einer Herzkammer bereitgestellt werden. Die Vorrichtung kann auch eine Kondensatorbank enthalten, die typischerweise zwei oder mehr Kondensatoren enthält, welche in Reihe geschaltet und an eine Batterie gekoppelt sind, die sich innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung befindet und Energie an die Kondensatorbank liefert. Zum Teil aufgrund der hohen Leitfähigkeit kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete elektrische Eigenschaften erreichen und somit für die Verwendung in der Kondensatorbank der implantierbaren medizinischen Vorrichtung geeignet sein.
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5648302 [0033]
US 5104738 [0033]
US 6322912 [0036]
US 6391275 [0036]
US 6416730 [0036]
US 6527937 [0036]
US 6576099 [0036]
US 6592740 [0036]
US 6639787 [0036]
US 7220397 [0036]
US 6197252 [0041]
US 7483260 [0045]
US 8279585 [0049]
US 6987663 [0054]
US 5111327 [0054]
US 6635729 [0054]
US 7515396 [0056]
US 5457862 [0056]
US 5473503 [0056]
US 5729428 [0056]
US 5812367 [0056]
US 5369547 [0060]
US 6594140 [0060]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309 [0071]

Claims

Flüssigelektrolytkondensator für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, umfassend: eine planare Anode, die einen porösen Anodenkörper umfasst, der mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist, wobei sich ein Anodenanschlussdraht aus dem porösen Anodenkörper heraus erstreckt; einen Arbeitselektrolyten, der mit der planaren Anode in elektrischem Kontakt steht; ein Gehäuse mit einem Innern, innerhalb dessen sich die planare Anode und der Arbeitselektrolyt befinden, wobei das Gehäuse eine Wand aufweist, die eine Anodenanschlussdrahtöffnung definiert; und eine Versiegelungsbaugruppe, die an der Anodenanschlussdrahtöffnung mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Versiegelungsbaugruppe umfasst: eine Metallmanschette, die innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung positioniert ist und sich ins Innere des Gehäuses hinein erstreckt, wobei die Metallmanschette einen Hohlraum definiert, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; einen elastomeren Ring, der sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei der elastomere Ring eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; und ein Metallblech, das sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei das Metallblech eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt, wobei sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums befindet.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Versiegelungsbaugruppe weiterhin ein Isolationsrohr umfasst, das einen Teil des Anodenanschlussdrahts aufnimmt, wobei das Isolationsrohr einen ersten Teil, der sich außerhalb des Gehäuses erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch ins Innere des Gehäuses erstreckt, aufweist.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei das Isolationsrohr ein isolierendes Material umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der elastomere Ring und der Hohlraum der Metallmanschette einen sich verjüngenden Teil aufweisen, wobei sich der sich verjüngende Teil des elastomeren Rings am sich verjüngenden Teil des Hohlraums innerhalb des Hohlraums befindet.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Metallmanschette Titan oder eine Legierung davon umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Metallblech Titan oder eine Legierung davon umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei sich ein elektrochemisch aktives Kathodenmaterial auf wenigstens einem Teil des Gehäuses befindet.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 7, wobei das elektrochemisch aktive Kathodenmaterial ein leitfähiges Polymer umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 8, wobei es sich bei dem leitfähigen Polymer um Poly(3,4-ethylendioxythiophen) handelt.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuse Titan oder eine Legierung davon enthält.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der poröse Anodenkörper Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenanschlussdraht Tantal umfasst.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin einen Separator umfasst, der wenigstens einen Teil der planaren Anode umgibt.
Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Versiegelungsbaugruppe für eine hermetische Versiegelung an der Anodenanschlussdrahtöffnung sorgt.
Implantierbarer Kardioverter/Defibrillator, der den Flüssigelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1 umfasst.
Verfahren zur Bildung eines Flüssigelektrolytkondensators zur Verwendung in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Positionieren eines planaren porösen Anodenkörpers, der einen sich daraus erstreckenden Anodenanschlussdraht aufweist, innerhalb eines Gehäuses mit einer Seitenwand, in der eine Anodenanschlussdrahtöffnung gebildet ist, so dass sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch erstreckt, wobei eine Versiegelungsbaugruppe den Anodenanschlussdraht an der Anodenanschlussdrahtöffnung umgibt, wobei die Versiegelungsbaugruppe Folgendes umfasst: eine Metallmanschette, die sich innerhalb der Anodenanschlussdrahtöffnung befindet und sich ins Innere des Gehäuses hinein erstreckt, wobei die Metallmanschette einen Hohlraum definiert, durch den hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; einen elastomeren Ring, der sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei der elastomere Ring eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt; und ein Metallblech, das sich innerhalb des Hohlraums befindet, wobei das Metallblech eine Öffnung enthält, durch die hindurch sich ein Teil des Anodenanschlussdrahts erstreckt, wobei sich eine untere Fläche des Metallblechs in Kontakt mit dem elastomeren Ring innerhalb des Hohlraums befindet; und das Bilden einer hermetischen Versiegelung zwischen der Versiegelungsbaugruppe und dem Anodenanschlussdraht.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Metallblech und der elastomere Ring zusammengeschweißt werden, um die hermetische Versiegelung zu schaffen.
Verfahren gemäß Anspruch 16, weiterhin umfassend das Schweißen der Metallmanschette an das Gehäuse.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Versiegelungsbaugruppe weiterhin ein Isolationsrohr umfasst, das einen Teil des Anodenanschlussdrahts aufnimmt, wobei das Isolationsrohr einen ersten Teil, der sich außerhalb des Gehäuses erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich durch die Anodenanschlussdrahtöffnung hindurch ins Innere des Gehäuses erstreckt, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Isolationsrohr ein isolierendes Material umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Metallmanschette Titan oder eine Legierung davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Metallblech Titan oder eine Legierung davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei wenigstens ein Teil des Gehäuses mit einem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial beschichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, weiterhin umfassend das Einführen eines Arbeitselektrolyten in das Gehäuse.