WO2002097833A1 - Verfahren zur erhöhung der spitzenspannungsfestigkeit bei aluminiumelektrolytkondensatoren - Google Patents
Verfahren zur erhöhung der spitzenspannungsfestigkeit bei aluminiumelektrolytkondensatoren Download PDFInfo
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Definitions
- Forming layer is optionally made from larger formed film webs.
- the viscosity of the electrolyte must also be individually matched to the size of the capacitors in order to enable impregnation of larger capacitors. In practice, this means that different electrolyte mixtures have to be used in production, which is more expensive and complicated than the use of only one electrolyte.
- amorphous silicon dioxide is used as the insoluble material.
- concentration range of the aerosil in the liquid is chosen so that a stable suspension is formed which shows no tendency to gel, but which becomes solid (gelled) when an electrolyte solution is added.
- non-polar liquids are used as suspending agents, such as glycol or gamma-butyrolactone, which can absorb a larger amount of Aerosil than more polar solvents, without becoming solid.
- the suspension medium can advantageously also be a component of the electrolyte solution, since it mixes with the electrolyte solution and should therefore not impair its properties. For this reason, too, glycol or gamma-butyrolactone offer themselves, since they are often contained in electrolyte solutions.
- the capacitor impregnated with the electrolyte solution is then brought into contact with the suspension, e.g. B. in x> ß J ar
- the gel formation required to increase the dielectric strength at the cut surfaces of the electrodes only takes place after the suspension has been applied.
- the different diffusion rates of the electrolyte and the solid material at the interface between the electrolyte and the suspension are used for the targeted formation of a gel layer. Since the formation of the gel layer usually extends over a period of several hours due to the slow diffusion of the electrolyte, the liquid suspension can penetrate even in the smallest spaces in the area of the anode cut edges during this time, so that a particularly reliable covering and thus also a high dielectric strength is achieved.
- Figures 1A to IC show longitudinal sections through a capacitor at various stages of the inventive method.
- FIGS. 2A to 2D show the change in the concentrations of the liquid and solid substances due to diffusion during the gel formation according to the invention at the cut edges of the capacitor 90 O
- a capacitor is produced by winding two layers of aluminum foils, of which the foil serving as the anode is covered with an oxide layer acting as a dielectric. There is a layer of paper between the aluminum foils as a spacer, which has been soaked in an operating electrolyte.
- the operating electrolyte consists, for example, of 9 to 11 mol of ethylene glycol, 2 to 5 mol of boric acid, 0.1 to 0.5 mol of adipic acid, 0.9 to 1.5 mol of ammonia, 0.05 to 0.15 mol of phosphoric acid and 4. 0 to 6 moles of water.
- Aerosil is advantageously used as the insoluble material and glycol as the suspending agent, the weight ratio of glycol: Aerosil in the suspension being e.g. 80:20 can be set. Since the operating electrolyte can generally only absorb between 10 and 16% by weight of Aerosil, gel formation occurs when the operating electrolyte diffuses into the suspension.
- the capacitor coil is immersed in the suspension so that a gel layer according to the invention can form within a few hours (see Figure 2b).
- the exemplary embodiments are only exemplary examples. Variations of the method according to the invention are possible both with regard to the composition of the electrolytes and with regard to the insoluble materials and liquids used for the suspension.
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit erhöhter Spannungsfestigkeit, bei dem auf den Schnittkanten und Abstandhaltern (5) eines Kondensators, der aus alternierenden Lagen von Elektrodenfolien (1 und 10) und dazwischen befindlichen mit Elektrolytlösung imprägnierten Abstandhaltern (5) besteht, eine Suspension (25 und 30) aufgetragen wird, die durch Diffusion der Elektrolytlösung eine Gelschicht (35) mit erhöhter Spannungsfestigkeit bildet.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Erhöhung der Spitzenspannungsfestigkeit bei Aluminiumelektrolytkondensatoren
Aluminiumelektrolytkondensatoren bestehen aus wenigstens zwei Lagen von Aluminiumfolien, die als Anode und Kathode fungieren. Zwischen den Aluminiumfolien ist ein mit einem Betriebselektrolyten getränkter Abstandshalter angeordnet. Die An- odenfolie ist mit einer dielektrisch wirkenden Oxidschicht
(Formierschicht) versehen und wird gegebenenfalls aus größeren formierten Folienbahnen hergestellt.
Die Spannungsfestigkeit von Aluminiumelektrolytkondensatoren wird im wesentlichen durch die dielektrische Oxidschicht, den Elektrolyt und den Abstandshalter, der aus Papierschichten oder Kunststoffolien gefertigt sein kann, begrenzt. Die Papierschichten begrenzen den Strom der im Elektrolyten vorhandenen beweglichen Ionen und bewirken so eine höhere Spitzen- spannungsfestigkeit des Elektrolytkondensators. Schwachstellen bezüglich der Spitzenspannungsfestigkeit sind vor allem Punkte der Anode, an denen sie der Elektrolyt ohne eine den Vorwiderstand heraufsetzende Papierschicht kontaktiert. Vor allem die Anodenschnittkanten sind in diesem Zusammenhang zu erwähnen. Sie stehen in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten und sind nicht durch einen Abstandhalter abgedeckt. Es wurden daher zahlreiche Anstrengungen unternommen auf die Anodenschnittkanten Materialien aufzubringen, die den Vorwiderstand erhöhen.
Aus der Patentschrift EP 0 325 919 sind Verfahren bekannt, bei denen feinkörniges Material, beispielsweise amorphes Siliziumdioxid (Handelsname: Aerosil) , das durch Knallgashydrolyse gewonnen wird, dem Betriebselektrolyten zugesetzt wird. Das Aerosil wird überwiegend an den Abstandhaltern ausgefiltert, so daß es beim Imprägnieren an den Schwachstellen des Kondensators, z.B. den Schnittkanten der Elektroden hängen
bleibt und so ein Elektrolytgemisch mit höherer Spannungsfestigkeit liefert. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch den Zusatz des Aerosils die Viskosität des Betriebselektrolyten nicht nur selektiv an den Schnittkanten sondern auch an anderen Stellen erhöht wird, was zu einer Verringerung der Leitfähigkeit des Elektrolytgemisches insgesamt führt . Darüberhinaus muß die Viskosität des Elektrolyten auch jeweils individuell auf die Größe der Kondensatoren abgestimmt werden, um auch eine Imprägnierung größerer Konden- satoren zu ermöglichen. Dies führt in der Praxis dazu, daß verschiedene Elektrolytgemische in der Produktion eingesetzt werden müssen, was kostenintensiver und komplizierter ist als die Verwendung nur eines Elektrolyten.
Andere in der Patentschrift EP 0 325 919 offenbarte Varianten sehen vor, zusätzlich feinkörniges Material trocken oder in Gel-Form auf den Kondensator aufzutragen. Dies hat den Nachteil, daß aufgrund der hohen Viskosität des Materials keine vollständige Abdeckung der Schnittkanten und damit keine zu- verlässige Spitzenspannungsfestigkeitserhöhung des Elektrolytkondensators erzielt werden kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein schnelles, kostengünstiges und zuverlässiges Verfahren zur Erhöhung der Spitzenspannungsfestigkeit von Elektrolytkondensatoren zur
Verfügung zu stellen, das die genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegen- stand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zu den oben genannten herkömmlichen Verfahren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine hochviskosen oder festen Stoffe auf die Schnittkanten der Elektroden und* Abstandhalter aufgebracht, oder dem Elektrolyten hinzugemischt . Bei der Erfindung wird vielmehr eine flüssige Suspension auf die Schnittkanten des Kondensators aufgebracht, die
erst aufgrund der Diffusion des Elektrolyten in die Suspension ein Gel mit erhöhter Spannungsfestigkeit bildet. Im folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren im Detail erläutert werden.
Bei dem Verfahren wird zuerst der Kondensator durch eine dem Stand der Technik entsprechende einfache Imprägnierung mit der Elektrolytlösung getränkt . Dies kann durch Eintauchen des Kondensators in ein Elektrolyttauchbad erfolgen. Als Folge der Imprägnierung verbleibt vorteilhafterweise ein Flüssigkeitsfilm der Elektrolytlösung auch auf den Schnittkanten der Elektrodenfolien (siehe Figur 1A) . Nach der Imprägnierung wird erfindungsmäßig ein feinkörniges, elektrolytverträgliches Material in einer Flüssigkeit suspendiert, die eine grö- ßere Menge des unlöslichen feinkörnigen Materials aufnehmen kann als die Elektrolytlösung, ohne dabei fest zu werden. Das feinkörnige Material und die suspendierende Flüssigkeit sollten vorteilhafterweise die elektrischen Eigenschaften der Elektrolytmischung nicht beeinträchtigen. Beispielsweise wird amorphes Siliziumdioxid (Aerosil) als unlösliches Material verwendet . Der Konzentrationsbereich des Aerosils in der Flüssigkeit wird dabei so gewählt, daß eine stabile Suspension entsteht, die keine Neigung zur Gelbildung zeigt, die aber bei einer Zugabe von Elektrolytlösung fest wird (geliert) . Vorzugsweise werden unpolarere Flüssigkeiten als Suspensionsmittel, wie Glykol oder Gamma-butyrolacton verwendet, die eine größere Menge an Aerosil aufnehmen können, als polarere Lösungsmittel, ohne dabei fest zu werden. Das Suspensionsmittel kann dabei vorteilhafterweise auch ein Bestandteil der Elektrolytlösung sein, da es sich mit der Elektrolytlösung vermischt und deshalb dessen Eigenschaften nicht beeinträchtigem sollte. Auch aus diesem Grunde bieten sich Glykol oder Gamma-butyrolacton an, da sie häufig in Elektrolytlösungen enthalten sind.
Der mit der Elektrolytlösung imprägnierte Kondensator wird anschließend mit der Suspension in Kontakt gebracht , z . B . in
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und damit zu einer geringeren Leitfähigkeit führt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich zudem ein Einheitselektrolyt und auch eine einheitliche Suspension für alle Größen von Kondensatoren verwenden, was eine vereinfachte und billi- gere Produktion ermöglicht.
Die zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit an den Schnittflächen der Elektroden nötige Gelbildung findet erfindungsgemäß erst nach dem Auftragen der Suspension statt. Dabei werden die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten des Elektrolyten und des festen Materials an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der Suspension für eine gezielte Bildung einer Gelschicht ausgenutzt. Da sich die Bildung der Gelschicht aufgrund der langsamen Diffussion des Elektrolyten in der Regel über einen Zeitraum von mehreren Stunden erstreckt, kann die flüssige Suspension in dieser Zeit auch in kleinste Zwischenräume im Bereich der Anodenschnittkanten eindringen, so daß eine besonders zuverlässige Abdeckung und damit auch eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einiger Abbildungen und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren dienen nur zum besseren Verständnis der Erfindung und sind daher schematisch vereinfacht und nicht maßstabsgetreu.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Figuren 1A bis IC zeigen Längsschnitte durch einen Kondensator zu verschiedenen Stadien des erfindungsmäßigen Verfahrens.
Figuren 2A bis 2D zeigen die Veränderung der Konzentrationen der flüssigen und festen Stoffe aufgrund Diffusion während der erfindungsgemäßen Gelbildung an den Schnittkanten des Kondensator
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Ausführungsbeispiele
Beispiel 1
Ein Kondensator wird durch Aufwickeln von zwei Lagen von Aluminiumfolien hergestellt, von denen die als Anode dienende Folie mit einer als Dielektrikum wirkenden Oxidschicht bedeckt ist. Zwischen den Aluminiumfolien befindet sich eine Schicht Papier als Abstandshalter, die in einem Betriebselek- trolyten getränkt wurde. Der Betriebselektrolyt besteht beispielsweise aus 9 bis 11 Mol Ethylengl kol, 2 bis 5 Mol Borsäure, 0,1 bis 0,5 Mol Adipinsäure, 0,9 bis 1,5 Mol Ammoniak, 0,05 bis 0,15 Mol Phosphorsäure und 4,0 bis 6 Mol Wasser. Zur Herstellung der Suspension für das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise Aerosil als unlösliches Material und Glykol als Suspensionsmittel verwendet, wobei das Gewichtsverhältnis Glykol : Aerosil in der Suspension auf z.B. 80 : 20 eingestellt werden kann. Da der Betriebselektrolyt in der Regel nur zwischen 10 bis 16 Gew-% Aerosil aufnehmen kann, kommt es dann bei einer Diffusion des Betriebselektrolyten in die Suspension zur Gelbildung. Der Kondensatorwickel wird in die Suspension eingetaucht, so daß sich innerhalb einiger Stunden eine erfindungsgemäße Gelschicht ausbilden kann (siehe Abbildung 2b) .
Beispiel 2
Ausführungsbeispiel analog zu Beispiel 1, wobei als Suspensionsmittel nicht Glykol sondern Gamma-butyrolacton eingesetzt wird.
Beispiel 3
Ausführungsbeispiel analog zu den Beispielen 1 und 2, wobei* als unlösliches Material nicht Aerosil sondern andere geeignete feinkörnige Materialien, wie beispielsweise Kieselgur, Hydragillit (Al(OH)3) sowie Cellulose Fasern und alle in rei-
ner und elektrolytverträglicher Form erhaltbaren, feinkörnigen Materialien verwendet werden können.
Die Ausführungsbeispiele stellen nur exemplarische Beispiele dar. Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind sowohl hinsichtlich der Zusammensetzung der Elektrolyte als auch im bezug auf die für die Suspension verwendeten unlöslichen Materialien und Flüssigkeiten möglich.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Elektrolytkondensatoren mit erhöhter Spannungsfestigkeit, - bei dem ein Kondensator aus alternierenden Lagen zweier
Elektrodenfolien und einem dazwischen befindlichen porösen Abstandshalter, der mit einem Betriebselektrolyten imprägniert ist, aufgebaut wird, bei dem anschließend der Kondensator zumindest an den Schnittkanten der Elektrodenfolien und Abstandhalter mit einer Suspension eines feinkörnigen, elektrolytverträglichen Materials in einer vom Betriebselektrolyten unterschiedlichen Flüssigkeit (Suspensionsmittel) in Kontakt gebracht wird, wobei die Flüssigkeit so ausgewählt ist, daß sie eine größere Menge des feinkörnigen Materials als die Elektrolytlösung aufnehmen kann, ohne ein Gel zu bilden,
- bei dem anschließend eine Diffusion des Elektrolyten in die Suspension erfolgt, wobei sich eine Gelschicht mit er- höhter Spannungsfestigkeit an den Schnittkanten der Elektrodenfolien und Abstandhalter ausbildet.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem feinkörniges, elektrolytverträgliches Material mit einer mittleren Primärteilchengröße von ca. 1 nm bis 1 μm verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2 , bei dem als feinkörniges, elektrolytverträgliches Material Kieselsäure, Kieselgur, Hydrargillit (A1(0H)3) und/oder Cellulosefasern verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem als Suspensionsmittel Glykol oder Ga ma- Butyrolacton verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem ein Suspensionsmittel verwendet wird, das auch ein Bestandteil des Betriebselektrolyten ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem eine Suspension aus bis zu 20 Gewichtsprozent Kieselsäure in Glykol verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem als poröser Abstandhalter Papier verwendet wird.
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| AL | Designated countries for regional patents |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
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