DE102007011358A1

DE102007011358A1 - Nass-Elektrolyt-Kondensator

Info

Publication number: DE102007011358A1
Application number: DE102007011358A
Authority: DE
Inventors: James Allen Fife; Zebbie Lynn Sebald; Gang Ning
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2007-09-13
Also published as: US20070211412A1; GB2435959B; HK1108221A1; GB0704135D0; GB2435959A; JP2007243203A; US7480130B2

Abstract

Ein Nass-Elektrolyt-Kondensator, welcher eine Anode, Kathode und einen Elektrolyt einschließt, wird bereitgestellt. Die Kathode enthält eine Vielzahl von Metallteilchen, welche auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet und daran sintergebunden sind. Die Metallteilchen besitzen eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer.

Description

Hintergrund der Erfindung

Elektrolytische Kondensatoren werden zunehmend beim Entwurf von Schaltkreisen aufgrund ihrer volumetrischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Verfahrenskompatibilität verwendet. Elektrolyt-Kondensatoren besitzen typischerweise eine größere Kapazität pro Volumeneinheit als bestimmte andere Typen von Kondensatoren, was sie in elektrischen Schaltkreisen mit relativ hoher Stromstärke und niedriger Frequenz wertvoll macht. Ein Typ von Kondensator, welcher entwickelt worden ist, ist ein Nass-Elektrolyt-Kondensator, welcher eine Anode, einen Kathoden-Stromabnehmer (z. B. Aluminium-Büchse), und einen flüssigen oder "nassen" Elektrolyt einschließt. Nass-Elektrolyt-Kondensatoren neigen dazu, eine gute Kombination von hoher Kapazität mit niedrigem Leckstrom und einem niedrigen Verlustfaktor zu bieten. In bestimmten Situationen können Nass-Elektrolyt-Kondensatoren Vorteile gegenüber Festelektrolyt-Kondensatoren aufzeigen. Zum Beispiel können Nass-Elektrolyt-Kondensatoren bei einer höheren Arbeitsspannung betrieben werden als Festelektrolyt-Kondensatoren. Weiterhin weisen Nass-Elektrolyt-Kondensatoren häufig ein größeres Format als Festelektrolyt-Kondensatoren auf, was zu größeren Kapazitätswerten führt. Ungünstigerweise erfahren jedoch viele herkömmliche Kondensatoren bedeutende Probleme bei Verwendung mit korrosiven Elektrolyten, wie Schwefelsäure. Zum Beispiel sind Aluminium-Stromabnehmer im hohen Maße empfindlich gegenüber Korrosion und sind nicht im Allgemeinen kompatibel mit korrosiven Elektrolyten. Des Weiteren können, unter gewissen Bedingungen (z. B. hohe Temperaturen) Beschichtungen, aufgebracht auf Kathoden-Stromabnehmer (z. B. Rutheniumoxid), aufgrund von Korrosion durch den Elektrolyt abgelöst werden. Um diese Probleme zu vermeiden, können neutralere Flüssigelektrolyte verwen det werden, aber dies führt häufig zu einer entsprechenden Einbuße hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften.

Somit existiert derzeitig eine Notwendigkeit für einen Nass-Elektrolyt-Kondensator, welcher in der Lage ist, mit einer großen Vielzahl von Elektrolyten angemessen zu funktionieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Nass-Elektrolyt-Kondensator offenbart, welcher eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und Kathode angeordneten Elektrolyt umfasst. Die Kathode enthält ein Substrat und eine Vielzahl von Metallteilchen, welche auf einer Oberfläche eines Substrats abgelagert und daran sintergebunden sind. Die Metallteilchen besitzen eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Auftragen einer Vielzahl von Metallteilchen auf ein Substrat einer Kathode, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen. Das Verfahren umfasst ferner das Sintern der Metallteilchen und das Abscheiden eines Elektrolyts zwischen der Kathode und einer Anode.

Andere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in größerer Ausführlichkeit dargelegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Form davon, welche sich an einen Durchschnitts fachmann richtet, wird im Rest der Patentschrift genauer dargelegt, welche Bezug auf die beigefügten Figuren nimmt, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine Seitenansicht des Kondensators von 2 ist;
4 eine SEM- bzw. Rasterelektronenmikroskop-Mikrofotografie (5000X) der Oberseite der Kathodenbeschichtung ist, welche in Beispiel 1 gebildet wird;
5 eine SEM-Mikrofotografie (140X) der Seite der Kathodenbeschichtung ist, welche in Beispiel 1 gebildet wird; und
6 eine SEM-Mikrofotografie (2500X) eines Querschnitts der Kathodenbeschichtung ist, welche in Beispiel 1 gebildet wird.
Die wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Patentschrift und den Zeichnungen repräsentiert beabsichtigterweise gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird es verstanden, dass die vorliegende Erörterung lediglich eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist, und mit ihr nicht beabsichtigt wird, die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung einzuschränken, wobei die breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen Nass-Elektrolyt-Kondensator, welcher eine Anode, Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt einschließt. Die Kathode wird aus einem Substrat geformt, welches mit einer Vielzahl von Metallteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometern beschichtet ist. Die Metallteilchen werden gesintert, um sie an das Substrat anzuheften. Ohne, dass beabsichtigt wird, durch Theorie eingeschränkt zu sein, nehmen die vorliegenden Erfinder an, dass die Metallteilchen die Korrosion des Kathodensubstrats inhibieren können und ebenfalls dabei helfen, eine starke Bindung zwischen dem Substrat und einer Kathodenbeschichtung aufrechtzuerhalten, selbst unter hochkorrosiven Hochtemperaturbedingungen. Verschiedene Ausführungsformen des Nass-Elektrolyt-Kondensators werden nun in größerer Ausführlichkeit beschrieben. Es versteht sich, dass die nachstehende Beschreibung lediglich beispielhaft ist, und mehrere andere Ausführungsformen ebenfalls von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden.
I. Anode
Die Anode kann im Allgemeinen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Zum Beispiel kann die Anode aus einem Pulver gebildet werden, aufgebaut vorwiegend aus einem Ventilmetall (d. h. einem Metall, welches zur Oxidation fähig ist) oder aus einer Zusammensetzung, welche das Ventilmetall als eine Komponente enthält. Geeignete Ventilmetalle, welche verwendet werden können, schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen dieser Metalle und so weiter ein. Zum Beispiel kann die Anode gebildet sein aus einem Ventilmetalloxid oder -nitrid (z. B. Niobiumoxid (z. B. NbO), Tantaloxid, Tantalnitrid, Niobiumnitrid etc.), welches im Allgemeinen als ein halbleitendes oder stark leitendes Material angesehen wird. Beispiele derartiger Ventilmetalloxide werden beschrieben im U.S.-Patent Nr. 6 322 912 von Fife, welches hierin in seiner Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen wird. Beispiele von Ventilmetallnitriden sind ebenfalls beschrie ben in "Tantalum Nitride: A New Substrate for Solid Electrolytic Capacitors", von T. Tripp; Proceedings of CARTS 2000: 20th Capacitor and Resistor Technology Symposium, 6.–20. März 2000.
Eine Vielzahl von herkömmlichen Herstellungsverfahrensweisen kann im Allgemeinen angewandt werden, um die Anode zu bilden. In einer Ausführungsform wird zuerst ein Tantal-Pulver mit einer bestimmten Teilchengröße ausgewählt. Die Teilchengröße kann in Abhängigkeit von der gewünschten Spannung des resultierenden Kondensators variieren. Zum Beispiel werden oft Pulver mit einer relativ großen Teilchengröße (z. B. etwa 10 Mikrometer) verwendet, um Hochspannungskondensatoren herzustellen, wohingegen Pulver mit relativ geringer Teilchengröße (z. B. etwa 0,5 Mikrometer) häufig verwendet werden, um Niedrigspannungskondensatoren herzustellen. Die Teilchen werden dann wahlfrei mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel vermischt, um zu gewährleisten, dass die Teilchen angemessen aneinander adhärieren, wenn sie zur Bildung der Anode gepresst werden. Üblicherweise für Tantalpulver verwendete Bindemittel schließen Kampfer-, Stearin- und andere seifige Fettsäuren, Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphthalin, Pflanzenwachs und Mikrowachse (gereinigte Paraffine) ein. Das Bindemittel kann aufgelöst und dispergiert werden in einem Lösungsmittel. Beispielhafte Lösungsmittel können Aceton; Methylisobutylketon; Trichlormethan; fluorierte Kohlenwasserstoffe (Freon) (Du-Pont); Alkohole und chlorierte Kohlenwasserstoffe (Kohlenstofftetrachlorid) einschließen. Bei Verwendung kann der Prozentsatz an Bindemitteln und/oder Gleitmitteln von etwa 0,1 bis etwa 4 Gew.-% der Gesamtmasse schwanken. Es versteht sich jedoch, dass Bindemittel und Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht erfordert werden.
Sobald gebildet, wird das Pulver unter Verwendung jedweder herkömmlichen Pulverpressen-Form verdichtet. Zum Beispiel kann die Pressform eine Einzelstation-Kompaktierungs-Presse unter Verwendung einer Form und einem oder mehreren Stempeln sein. Alternativ dazu können Verdichtungs- Pressformen vom Anvil-Typ verwendet werden, welche nur eine Form und einen einzelnen unteren Stempel verwenden. Einzel-Station-Verdichtungs-Pressformen sind in mehreren grundlegenden Typen verfügbar, wie Nocken-, Kniehebel/Gelenk- und Exzenter/Kurbel-Pressen mit verschiedenen Eigenschaften bzw. Fähigkeiten, wie Einzelwirkung, Doppelwirkung, Schwebe-Form, bewegbaren Platten, Gegenstempel, Schraub-, Stoßwirkungs-, Heißpressen, Prägung oder Leimung. Nach der Kompression kann jedwedes Bindemittel/Gleitmittel entfernt werden durch Erhitzen des Pellets unter Vakuum bei einer bestimmten Temperatur (z. B. von etwa 150°C bis etwa 500°C) während mehreren Minuten. Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch entfernt werden durch Kontaktieren des Pellets mit einer wässrigen Lösung, wie beschrieben im U.S.-Patent Nr. 6 197 252 von Bishop et al., welches hierin in seiner Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen ist. Danach wird das Pellet zur Bildung einer porösen integralen Masse gesintert. Zum Beispiel kann das Pellet, in einer Ausführungsform, bei einer Temperatur von etwa 1.200°C bis etwa 2.000°C gesintert werden, und in manchen Ausführungsformen von etwa 1.500°C bis etwa 1.800°C, unter Vakuum. Nach dem Sintern schrumpft das Pellet aufgrund des Wachstums von Bindungen zwischen den Teilchen. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Techniken kann auch jedwede andere Technik zur Bildung der Anode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 4 085 435 von Galvagni; 4 945 452 von Sturmer et al.; 5 198 968 von Galvagni; 5 357 399 von Salisbury; 5 394 295 von Galvagni et al.; 5 495 386 von Kulkarni; und 6 322 912 von Fife, welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen werden.
Die Anode kann so anodisiert werden, dass eine dielektrische Schicht über und innerhalb der porösen Anode gebildet wird. Das Anodisieren ist ein elektrischer chemischer Vorgang, durch welchen das Anodenmetall unter Bildung eines Materials mit einer relativ hohen dielektrischen Konstante oxidiert wird. Zum Beispiel kann eine Tantalanode anodisiert werden, zur Bildung von Tantalpentoxid (Ta₂O₅), welches eine dielektrische Konstante "k" von etwa 27 aufweist. Spezifisch wird, in einer Ausführungsform, das Tantal-Pellet in eine schwache Säurelösung (z. B. Phosphorsäure) bei einer erhöhten Temperatur (z. B. etwa 85°C) eingetaucht, an welche ein regulierter Betrag an Spannung und Strom zugeführt wird, um eine Tantalpentoxid-Beschichtung mit einer gewissen Dicke zu bilden. Die Leistungsversorgung wird anfänglich bei einem konstanten Strom gehalten, bis die erforderliche Bildungsspannung erreicht ist. Danach wird die Leistungsversorgung bei einer konstanten Spannung gehalten, um sicherzustellen, dass die gewünschte Dielektrikum-Dicke über der Oberfläche des Tantal-Pellets ausgebildet wird. Die Anodisierungsspannung liegt typischerweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 200 Volt, und in einigen Ausführungsformen von etwa 20 bis etwa 100 Volt. Zusätzlich dazu, dass er auf der Oberfläche des Tantal-Pellets gebildet wird, wird ein Teil des dielektrischen Oxidfilms sich typischerweise ebenfalls auf den Oberflächen der Poren des Metalls ausbilden. Es sollte sich verstehen, dass der dielektrische Film aus anderen Typen von Materialien und unter Anwendung unterschiedlicher Techniken geformt werden kann.
II. Elektrol
Wie oben angegeben, ist ein Elektrolyt angeordnet zwischen und in Kontakt mit der Anode und mit der Kathode. Der Elektrolyt ist das elektrisch aktive Material, welches den Verbindungsweg zwischen der Anode und Kathode bereitstellt. Der Elektrolyt liegt im Allgemeinen in der Form einer Flüssigkeit, wie einer Lösung (z. B. wässrig oder nicht-wässrig), Dispersion, Gel etc. vor. Zum Beispiel kann der Elektrolyt eine wässrige Lösung einer Säure (z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure), Base (z. B. Kaliumhydroxid), oder eines Salzes (z. B. Ammoniumsalz, wie ein Nitrat) sowie jedwedes anderen im Fachgebiet bekannten geeigneten Elektrolyts, wie ein Salz, gelöst in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Ammoniumsalz, gelöst in einer Glycol-basierenden Lösung), sein. Verschiedene andere Elektrolyte werden beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 369 547 und 6 594 140 von Evans, et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
III. Kathode
A. Substrat
Das Kathodensubstrat kann aus jedwedem Metall gebildet sein, das zur Verwendung bei der Bildung eines Kondensators geeignet ist. Zum Beispiel kann das Kathodensubstrat gebildet sein aus Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Legierungen davon, Oxiden davon, Nitriden davon und so weiter. Die Konfiguration des Kathodensubstrats kann im Allgemeinen variieren, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt ist. Zum Beispiel kann das Substrat in der Form eines Behälters, einer Büchse, Folie, eines Blatts, Schaums, Netzes, Stoffs, Filzes etc. vorliegen. In einer Ausführungsform ist das Kathodensubstrat eine zylindrisch geformte "Büchse" mit einem angebrachten Deckel. Der Oberflächenbereich des Kathodensubstrats wird ausgewählt, um ein bestimmtes Kapazitätsniveau bereitzustellen. Zum Beispiel bedeckt das Kathodensubstrat typischerweise einen Oberflächenbereich von etwa 1 bis etwa 25 Quadratzentimetern, in manchen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 15 Quadratzentimetern, und in gewissen Ausführungsformen von etwa 5 bis etwa 10 Quadratzentimetern. Es versteht sich, dass der spezifische Oberflächenbereich des Substrats viel größer als die oben angegebenen Bereiche sein kann.
B. Metallteilchen
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Metallteilchen auf die Oberfläche(n) des Kathodensubstrats aufgebracht, welche eine Grenzfläche mit dem Elektrolyt bilden. Die Metallteilchen können vorwiegend von einem Metall oder aus einer Zusammensetzung, welche ein Metall als eine Komponente enthält, aufgebaut sein. Geeignete Metallteilchen können bei spielsweise gebildet sein aus Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber etc. sowie Legierungen, Oxiden und Nitriden dieser Metalle, wie oben beschrieben. Vorzugsweise sind die Metallteilchen aus einem Material gebildet, welches von der gleichen oder einer im Wesentlichen ähnlichen Natur zum Kathodensubstrat ist. Auf diese Weise wird sich eine starke Bindung zwischen den Teilchen und dem Kathodensubstrat bilden, wenn sie gesintert werden. In einer besonderen Ausführungsform werden zum Beispiel Tantalmetallteilchen zum Binden an ein Tantalsubstrat verwendet. In ähnlicher Weise können Kupfermetallteilchen zum Binden an ein Kupfersubstrat verwendet werden.
Jede aus einer Vielzahl von bekannten Techniken kann angewandt werden, um die Metallteilchen zu bilden. Zum Beispiel können Metalle aus ihren Erzen extrahiert und durch Verfahren, welche chemisches Reduzieren einschließen, zu Pulvern ausgeformt werden. Ventilmetalle (z. B. Tantal) können beispielsweise hergestellt werden durch Reduzieren eines Ventilmetallsalzes mit einem Reduktionsmittel. Das Reduktionsmittel kann Wasserstoff, aktive Metalle (z. B. Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium etc.) usw. sein. In ähnlicher Weise können geeignete Ventilmetallsalze Kaliumfluortantalat (K₂TaF₇), Natriumfluortantalat (Na₂TaF₇), Tantalpentachlorid (TaCl₅) etc. einschließen. Beispiele solcher Reduktionstechniken sind beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 3 647 415 von Yano et al.; 4 149 876 von Rerat; 4 684 399 von Bergman et al.; und 5 442 978 von Hildreth et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen werden. Zum Beispiel kann ein Ventilmetallsalz elektrolytisch reduziert werden in einem geschmolzenen Bad mit einem Verdünnungsmittel-Alkalimetallhalogenidsalz (z. B. KCl oder NaCl). Die Zugabe derartiger Verdünnungsmittelsalze gestattet die Verwendung von niedrigeren Badtemperaturen. Ventilmetallpulver kann auch hergestellt werden durch eine exotherme Reaktion in einem geschlossenen Gefäß, in welchem das Ventilmetallsalz in sich abwechselnden Schichten mit dem Reduktionsmittel angeordnet ist. Die eingeschlossene Be ladung wird indirekt erwärmt, bis die exotherme Reaktion spontan ausgelöst wird.
Mechanische Verarbeitungs- bzw. Mahltechniken können angewandt werden, um das Metallpulver (z. B. Metallhydrid) auf eine gewünschte Größe zu zerkleinern. Zum Beispiel kann das Pulver in einem Fluidmedium (z. B. Ethanol, Methanol, fluoriertes Fluid etc.) dispergiert werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung kann dann mit Zerkleinerungsmedien (z. B. Metallkugeln, wie Tantal) in einer Mühle vereinigt werden. Die Anzahl an Zerkleinerungsmedien kann im Allgemeinen variieren, abhängig von der Größe der Mühle, wie von etwa 100 bis etwa 2.000, und in einigen Ausführungsformen von etwa 600 bis etwa 1.000. Das Ausgangspulver, das Fluidmedium, und die Zerkleinerungsmedien können in jedwedem Verhältnis kombiniert werden. Zum Beispiel kann das Verhältnis des Ausgangsmetallpulvers zu den Zerkleinerungsmedien etwa 1:5 bis etwa 1:50 betragen. In ähnlicher Weise kann das Verhältnis des Volumens des Fluidmediums zu dem kombinierten Volumen des Ausgangs-Ventilmetallpulvers etwa 0,5:1 bis etwa 3:1 betragen, in manchen Ausführungsformen etwa 0,5:1 bis etwa 2:1, und in manchen Ausführungsformen von etwa 0,5:1 bis etwa 1:1. Einige Beispiele von Mühlen, welche verwendet werden können, werden beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 522 558; 5 232 169; 6 126 097 und 6 145 765, welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
Das Mahlen kann für jedwede vorbestimmte Zeitdauer stattfinden, die zum Erzielen des spezifischen Zieloberflächenbereichs benötigt wird. Zum Beispiel kann die Mahlzeit im Bereich von etwa 30 Minuten bis etwa 40 Stunden, in manchen Ausführungsformen von etwa 1 Stunde bis etwa 20 Stunden, und in manchen Ausführungsformen von etwa 5 Stunden bis etwa 15 Stunden liegen. Das Zermahlen kann bei jedweder geeigneten Temperatur durchgeführt werden, einschließlich bei Raumtemperatur oder einer erhöhten Temperatur. Nach dem Mahlen kann das Fluidmedium von dem Pulver abge trennt oder entfernt werden, wie durch Lufttrocknen, Erwärmen, Filtern, Verdampfen etc. Zum Beispiel kann das Pulver gegebenenfalls einem oder mehreren Säurebleichungsschritten unterzogen werden, um metallische Verunreinigungen zu entfernen. Derartige Säurebleichungsschritte sind im Fachgebiet allgemein bekannt und können jedwede von einer Vielzahl von Säuren, wie Mineralsäuren (z. B. Chlorwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure, Phosphorsäure; Schwefelsäure, Salpetersäure etc.), organische Säuren (z. B. Zitronensäure, Weinsäure, Ameisensäure, Oxalsäure, Benzoesäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Phthalsäure etc.); und so weiter anwenden. Obwohl es nicht erfordert wird, kann das Metallpulver auch unter Anwendung jedweder im Fachgebiet bekannter Technik agglomeriert werden. Typische Agglomerationstechniken beinhalten zum Beispiel einen oder mehrere Hitzebehandlungsschritte in einem Vakuum oder einer Inert-Atmosphäre bei Temperaturen im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1.400°C während einer gesamten Zeitdauer von etwa 30 bis etwa 60 Minuten.
Die Metallteilchen können jedwede gewünschte Form aufweisen, wie knotenartig, Flocken, gewinkelt, faserartig oder ein Agglomerat davon, und besitzen eine unregelmäßige Oberfläche, an welche die Kathodenbeschichtung besser angeheftet werden kann. Im Allgemeinen besitzen die Teilchen eine relativ hohe mittlere Größe (einzeln oder agglomeriert), wie von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer, in manchen Ausführungsformen von etwa 30 bis etwa 400 Mikrometer und in manchen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 200 Mikrometer. Der spezifische Oberflächenbereich der Metallteilchen kann dergleichen in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 40 m²/g, in manchen Ausführungsformen von etwa 0,1 bis etwa 10 m²/g, und in manchen Ausführungsformen von etwa 0,5 bis etwa 5 m²/g liegen. Der Ausdruck "spezifischer Oberflächenbereich" wurde durch das physikalische Gasabsorptions(B.E.T.)-Verfahren von Bruanauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als dem Adsorptionsgas ermittelt.
Jedwede einer Vielzahl von Techniken kann im Allgemeinen angewandt werden, um die Metallteilchen auf das Substrat aufzubringen, gemäß der vorliegenden Erfindung, wie Hitzebehandlung, thermisches Sintern, Sputtern bzw. Vakuumzerstäubung, Siebdruck, Eintauchen, elektrophoretische Beschichtung, Elektronenstrahlablagerung, Besprühen, Walzenpressen, Pinseln bzw. Streichen, Rakelmesser-Auftrag und Vakuumablagerung. Überschüssige Teilchen können zum Beispiel durch Umdrehen des Substrats entfernt werden. Nach dem Aufbringen können die Metallteilchen gegebenenfalls erwärmt werden, um jedwedes Bindemittel/Gleitmittel zu entfernen, welches in den Teilchen vorhanden ist. Das Erwärmen kann zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 40°C bis etwa 800°C erfolgen. Falls gewünscht, kann das Kathodensubstrat wahlweise mit einer viskosen Flüssigkeit vorbehandelt werden, um die Metallteilchen bei Aufbringung auf die Substratoberfläche an Ort und Stelle zu halten. Zum Beispiel kann die viskose Flüssigkeit ein Lösungsmittel sein, wie oben beschrieben. Neben Lösungsmitteln können noch andere geeignete viskose Flüssigkeiten wasserlösliche oder wasserquellbare Polymere, wie Natrium-, Kalium- und Calcium-Alginate, Carboxymethylcellulose, Agar, Gelatine, Polyvinylalkohol, Collagen, Pectin, Chitin, Chitosan, Poly(α-aminosäuren), Polyester, Poly-1-caprolacton, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Polyvinylalkohol, Polyether, Polysaccharid, hydrophiles Polyurethan, Polyhydroxyacrylat, Polymethacrylat, Dextran, Xanthan, Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose und Homopolymere und Copolymere von N-Vinylpyrrolidon, N-Vinyllactam, N-Vinylbutyrolactam, N-Vinylcaprolactam und anderen Vinylverbindungen mit polaren anhängigen Gruppen, Acrylat und Methacrylat mit hydrophilen Veresterungsgruppen, Hydroxyacrylat, Acrylsäure und Kombinationen davon einschließen. Ferner können harzartige Flüssigklebstoffe (z. B. Schellack) ebenfalls verwendet werden.
Sobald aufgetragen, werden typischerweise ein oder mehrere Schichten (z. B. Monoschicht) von Metallteilchen auf der Substratoberfläche ausgebildet, um eine Beschichtung zu formen. Die Dicke der Beschichtung kann ab hängig von der Größe und Konfiguration des Kathodensubstrats, der Anode und einer wahlfreien Kathodenbeschichtung variieren. Allgemein gesprochen, besitzt die Metallteilchenbeschichtung eine Gesamtdicke von etwa 20 bis etwa 2.000 Mikrometer, in manchen Ausführungsformen von etwa 30 bis etwa 1.000 Mikrometer, und in einigen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 500 Mikrometer. Als Beispiel, wenn Tantalteilchen mit einer Teilchengröße von etwa 100 μm verwendet werden, besitzt dann eine Monoschicht von Tantalteilchen eine Dicke von etwa 100 μm. Dann wird das Ausformen von etwa 10 Monoschichten, enthaltend diese Tantalteilchen, eine Beschichtung mit einer Gesamtdicke von etwa 1.000 μm bereitstellen.
Das Ausmaß, zu welchem die Metallteilchen das Kathodensubstrat bedecken, kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel können die Metallteilchen in einer voneinander in Abstand befindlichen Weise über die Oberfläche des Kathodensubstrats so aufgetragen werden, dass sie "inselähnliche" Strukturen formen. Auf diese Weise können die Bestandteile einer Kathodenbeschichtung anschließend in die Zwischenräume dieser benachbarten Teilchen angeordnet werden bzw. abgeschieden werden, um ihre Adhäsion an das Kathodensubstrat zu steigern. Das Ausmaß, zu welchem die Metallteilchen voneinander in Abstand befindlich sind, kann variieren, aber kann ungefähr das Gleiche wie die Größe der Metallteilchen sein. Zum Beispiel können benachbarte Metallteilchen mit einem Abstand voneinander getrennt vorliegen, welcher im Bereich von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen von etwa 30 bis etwa 400 Mikrometer, in manchen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 200 Mikrometer liegt.
Die Metallteilchen werden anschließend so gesintert, dass sich eine Bindung zwischen den Teilchen und dem Kathodensubstrat bildet. Obwohl derartige Sinterschritt(e) gleichzeitig mit dem Sintern der Kathodenbeschichtung, wie unten beschrieben, stattfinden können, ist es üblicherweise gewünscht, dass die Metallteilchen separat gesintert werden, vor dem anschließenden Sintern der Kathodenbeschichtung. Auf diese Weise können die Sinterbedingungen spezifischer an die verwendeten Teilchen angepasst bzw. maßgeschneidert werden. Zum Beispiel können die Metallteilchen bei einer Temperatur gesintert werden, welche höher ist als die bevorzugte Sintertemperatur für die Kathodenbeschichtung, wie bei einer Temperatur von etwa 1.000°C bis etwa 2.500°C, in einigen Ausführungsformen von etwa 1.000°C bis etwa 2.000°C und in manchen Ausführungsformen von etwa 1.200°C bis etwa 1.800°C. Die Erwärmungsschritt(e) können bei einem relativ niedrigem Druck, wie weniger als etwa 200 Millitorr, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 100 Millitorr und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 50 Millitorr stattfinden. Die Gesamtzeit der Erwärmungsschritt(e) kann im Bereich von etwa 10 Minuten bis etwa 1 Stunde liegen.
C. Kathoden-Beschichtung
Die Kathode der vorliegenden Erfindung kann gegebenenfalls eine Kathodenbeschichtung enthalten, welche über dem Metallteilchen-beschichteten Kathodensubstrat liegt. Genauer gesagt, trägt die Kathodenbeschichtung eine elektrochemische Kapazität an einer Grenzfläche mit dem Elektrolyt und besitzt ein hohes Verhältnis von Oberflächenbereich zu Volumen. Im Allgemeinen wird die Kathodenbeschichtung aus elektrochemisch aktiven Teilchen geformt, welche leitfähig sind, so dass der Elektrolyt einen guten elektrischen Kontakt mit dem Kathodensubstrat beibehält. Das Ausmaß der Leitfähigkeit kann in Hinsicht auf die "Resistivität" der elektrochemisch aktiven Partikel bei etwa 20°C charakterisiert werden, welche im Allgemeinen weniger als etwa 1 × 10⁵ Ohm-cm, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10⁴ Ohm-cm, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10³ Ohm-cm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10^–3 Ohm-cm und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10^–4 Ohm-cm ist.
Die elektrochemisch aktiven Teilchen erhöhen den effektiven Kathoden-Oberflächenbereich, über welchen der Elektrolyt elektrochemisch mit dem Kathodensubstrat kommuniziert. Ein derartiger erhöhter effektiver Kathodenoberflächenbereich gestattet die Bildung von Kondensatoren mit erhöhter Zellenkapazität für eine gegebene Größe und/oder Kondensatoren mit einer verringerten Größe für eine gegebene Kapazität. Typischerweise besitzen die elektrochemisch aktiven Teilchen einen spezifischen Oberflächenbereich von mindestens etwa 200 m²/g, in manchen Ausführungsformen mindestens etwa 500 m²/g und in einigen Ausführungsformen mindestens etwa 1.500 m²/g. Um den gewünschten Oberflächenbereich zu erzielen, besitzen die elektrochemisch aktiven Partikel im Allgemeinen eine geringe Größe. Zum Beispiel kann die mittlere Größe der elektrochemisch aktiven Teilchen weniger als etwa 100 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 50 Mikrometer und in manchen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 Mikrometer betragen. Dergleichen können die elektrochemisch aktiven Teilchen porös sein. Ohne dass beabsichtigt wird, durch die Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, dass poröse Teilchen eine Passage bzw. einen Durchgangsweg für einen Elektrolyt bieten, um das Kathodensubstrat besser zu kontaktieren. Zum Beispiel können die elektrochemisch aktiven Teilchen Poren/Kanäle mit einem mittleren Durchmesser von mehr als etwa 5 Angström, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 20 Angström und in manchen Ausführungsformen mehr als etwa 50 Angström aufweisen.
Jedes einer Vielzahl von elektrochemisch aktiven Teilchen kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können kohlenstoffhaltige Teilchen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, welche den gewünschten Spiegel an Leitfähigkeit aufweisen, wie Aktivkohle, Ruß, Graphit etc. Einige geeignete Formen von Aktivkohle und Techniken zur Bildung davon, werden beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 726 118 von Ivev et al.; 5 858 911 von Wellen et al.; sowie der U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003/0158342 von Shinozaki et al., welche alle hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
Verschiedene Metalle können ebenfalls verwendet werden als elektrochemisch aktive Teilchen, wie Teilchen, gebildet aus Ruthenium, Iridium, Nickel, Rhodium, Rhenium, Kobalt, Wolfram, Mangan, Tantal, Niob, Molybdän, Blei, Titan, Platin, Palladium und Osmium, sowie Kombinationen dieser Metalle. In einer besonderen Ausführungsform sind zum Beispiel die elektrochemisch aktiven Teilchen Palladiumpartikel.
Nicht-isolierende Oxidteilchen können ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Geeignete Oxide können ein Metall einschließen, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Iridium, Nickel, Rhodium, Rhenium, Kobalt, Wolfram, Mangan, Tantal, Niob, Molybdän, Blei, Titanium, Platin, Palladium und Osmium, sowie Kombinationen dieser Metalle. Besonders geeignete Metalloxide zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung schließen Rutheniumdioxid (RuO₂) und Mangandioxid (MnO₂) ein. In einer anderen Ausführungsform kann das Metalloxid ein Niobiumoxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 2,5, in manchen Ausführungsformen 1: weniger als 1,5, in einigen Ausführungsformen 1: weniger als 1,1, und in einigen Ausführungsformen 1:0,5 ± 0,2 sein. Zum Beispiel kann das Niobiumoxid Nb_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ sein. In einer besonderen Ausführungsform werden die elektrochemisch aktiven Teilchen aus NbO₂ gebildet. NbO₂ ist ein relativ leitfähiges Niobiumoxid, welches unter normalen Bedingungen nicht anodisiert. NbO₂ ist ebenfalls stabil in, oder löst sich nicht ohne weiteres in H₂SO₄ oder anderen Elektrolyten. Ferner ist NbO₂ chemisch stabil nach Sintern bei hohen Temperaturen. Das heißt, eine NbO₂-beschichtete Kathode kann bei ausreichend hohen Temperaturen gesintert werden, so dass das NbO₂ gut an das Kathodensubstrat bindet, während es noch seine chemische Struktur und physikalischen Eigenschaften beibehält. Die elektrochemisch aktiven Teilchen können auch Nitrid- und/oder Karbidpartikel sein, enthaltend ein Metall, wie Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, oder Wolfram-basierende Teilchen. Beispiele derartiger Metalloxide, -nitride und -carbide werden in größerer Ausführlichkeit beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 369 547 von Evans et al.; 5 754 394 von Evans et al.; 5 754 394 von Evans et al.; 5 982 609 von Evans et al.; und 6 594 140 von Evans et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben festgestellt, dass die Metallteilchen der vorliegenden Erfindung die Bindungsfestigkeit zwischen dem Kathodensubstrat und Kathodenbeschichtungen erhöhen, insbesondere unter hoch-korrosiven Hochtemperaturbedingungen. Nichtsdestoweniger kann ein Bindemittel wahlfrei in der Kathodenbeschichtung verwendet werden, um das Binden weiter zu verstärken. Jedes einer Vielzahl von Bindemitteln kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie flüssiges Bindemittel (z. B. organische Klebstoffe, anorganische Klebstoffe etc.), feste Bindemittel (z. B. Teilchen) und so fort. Beispielhafte flüssige Bindemittel können zum Beispiel Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Carboxymethylzellulose, Fluorolefin-Copolymer-vernetztes Polymer, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure, Polyimid, Petroleum-Teer, Kohlenteer und Phenolharze einschließen. Alternativ dazu können Klebstoffteilchen verwendet werden als ein Bindemittel, um die elektrochemisch aktiven Teilchen vor direktem chemischem Kontakt mit dem Kathodensubstrat abzutrennen bzw. abzusondern. Die Klebstoffteilchen können Bindungen mit den elektrochemisch aktiven Teilchen bilden, wenn sie gesintert (d. h. sintergebunden) werden. Die Beschaffenheit der Bindung kann variieren und kann metallurgisch, kovalent, elektrostatisch etc. sein. Die Klebstoffteilchen können auch die elektrochemisch aktiven Teilchen umgeben, um ihre Entfernung weiter zu inhibieren.
Die Klebstoffteilchen sind im Allgemeinen kleiner als die elektrochemisch aktiven Teilchen, so dass sie derartige Teilchen nach dem Sintern effektiver umgeben können. Dieser relative Größenunterschied kann durch das Verhältnis der mittleren Teilchengröße der elektrochemisch aktiven Teilchen zur mittleren Teilchengröße der Klebstoffteilchen charakterisiert werden, welches im Bereich von etwa 1,5:1 bis etwa 50:1, in einigen Ausführungsformen von etwa 3:1 bis etwa 25:1, und in manchen Ausführungsformen von etwa 4:1 bis etwa 15:1 liegen kann. Um das gewünschte Verhältnis zu erreichen, kann die mittlere Größe der Klebstoffteilchen zum Beispiel weniger als etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 20 Mikrometer und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 5 Mikrometer betragen. Ohne dass beabsichtigt wird, durch Theorie beschränkt zu sein, nehmen die Erfinder der vorliegenden Anmeldung des Weiteren an, dass die Klebstoffteilchen die Poren und Oberfläche der elektrochemisch aktiven Teilchen nicht im Wesentlichen blockieren. Auf diese Weise können die elektrochemisch aktiven Teilchen einen hohen Oberflächenbereich zum Kontaktieren des Elektrolyts beibehalten.
Um sicherzustellen, dass die gewünschte Höhe des elektrischen Kontakts beibehalten wird, sind die Klebstoffteilchen des Weiteren typischerweise leitfähig. In dieser Hinsicht kann jedes von einer Vielzahl von leitfähigen Klebstoffteilchen, welche die gewünschte Höhe an Klebefestigkeit bereitstellen, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können die Klebstoffteilchen anorganische Oxidteilchen sein, gebildet aus einem Ventilmetall oder aus einer Zusammensetzung, welche das Ventilmetall als eine Komponente enthält. Geeignete Ventilmetalle, welche verwendet werden können, schließen, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein, Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan sowie Legierungen, Oxide oder Nitride dieser Metalle ein. In einer besonderen Ausführungsform werden die Klebstoffteilchen aus Niobiumoxid, aufweisend ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 2,5, in einigen Ausführungsformen 1: weniger als 1,5, in manchen Ausführungsformen 1: weniger als 1,1 und in einigen Ausführungsformen 1: 0,5 ± 0,2, gebildet, wie oben beschrieben. Die Klebstoffteilchen können jede gewünschte Gestalt aufweisen, wie winkelig, knotig, Flocken etc. Der spezifische Oberflächenbereich der Klebstoffteilchen kann von etwa 0,1 bis etwa 200 m²/g betragen, in einigen Ausführungsformen von etwa 0,5 bis etwa 100 m²/g und in manchen Ausführungsformen von etwa 1 bis etwa 40 m²/g. Die Klebstoffteilchen können gegebenenfalls agglomeriert werden unter Anwendung jedweder im Fachgebiet bekannter Technik, wie Hitzebe handlung, organische Bindemittel und so weiter. In einer Ausführungsform werden die Klebstoffteilchen zum Beispiel agglomeriert unter Verwendung von einem oder mehreren Hitzebehandlungsschritten in einem Vakuum oder einer Inert-Atmosphäre bei Temperaturen im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1.400°C während einer Gesamtzeitdauer von etwa 30 bis etwa 60 Minuten.
Wenn verwendet, kann die relative Menge der elektrochemisch aktiven Teilchen und Klebstoffteilchen in der Kathodenbeschichtung auch in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Zum Beispiel wird eine größere relative Menge an elektrochemisch aktiven Teilchen im Allgemeinen zu einem Kondensator mit einer größeren Kathodenkapazität führen. Wenn die Menge der elektrochemisch aktiven Teilchen zu groß ist, kann jedoch die Kathodenbeschichtung unausreichend an das Kathodensubstrat binden. Daher, um ein angemessenes Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften zu erzielen, enthält die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung typischerweise Klebstoffteilchen und elektrochemisch aktive Teilchen in einem jeweiligen Gewichtsverhältnis von etwa 0,2:1 bis etwa 100:1, in einigen Ausführungsformen von etwa 0,5:1 bis etwa 50:1, und in manchen Ausführungsformen von etwa 1:1 bis etwa 20:1. Die Klebstoffteilchen können etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 60 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-%, und in manchen Ausführungsformen etwa 80 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% der Kathodenbeschichtung ausmachen. Dergleichen können die elektrochemisch aktiven Teilchen etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in manchen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Kathodenbeschichtung ausmachen.
Um die Kathodenbeschichtung auf das Substrat aufzubringen, können die Komponenten (z. B. elektrochemisch aktive Teilchen, Klebstoffteilchen etc.) mit einem Lösungsmittel gemischt werden, entweder separat oder zusammen, um eine Beschichtungsformulierung zu bilden, welche leicht auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Die Beschichtungsformulierung kann beispielsweise ein Niobiumoxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 2,5 einschließen. Alternativ dazu kann die Beschichtungsformulierung auch ein Oxid (z. B. Nb₂O₅) enthalten, welches nach dem Sintern zur gewünschten Stufe (z. B. NbO₂) reduziert wird. Jedwedes Lösungsmittel kann verwendet werden, wie Wasser; Glykole (z. B. Propylenglykol, Butylenglykol, Triethylenglykol, Hexylenglykol, Polyethylenglykole, Ethoxydiglykol und Dipropylenglykol); Glykolether (z. B. Methylglykolether, Ethylglykolether und Isopropylglykolether); Ether (z. B. Diethylether und Tetrahydrofuran); Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol); Triglyceride; Ketone (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglykoletheracetat und Methoxypropylacetat); Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl/Caprin-Fettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone); Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril); Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) und so weiter. Die Konzentration des Lösungsmittels kann im Allgemeinen variieren, es ist nichtsdestoweniger typischerweise in einer Menge von etwa 10 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 20 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, und in manchen Ausführungsformen von etwa 25 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% der Beschichtungsformulierung vorhanden.
Der Feststoffgehalt und/oder die Viskosität der Beschichtungsformulierung können im Allgemeinen variieren, wie gewünscht, um die gewünschte Beschichtungsdicke zu erzielen. Zum Beispiel kann der Feststoffgehalt des Oxids im Bereich von etwa 20 bis etwa 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen etwa 30 bis etwa 70 Gew.-%, und noch weiter bevorzugt zwischen etwa 35 bis etwa 65 Gew.-% liegen. Durch Variieren des Feststoffgehalts der Beschichtungsformulierung kann das Vorhandensein der Teilchen in der Beschichtung reguliert werden. Zum Beispiel, zur Bildung einer Kathodenbeschichtung mit einem höheren Spiegel an elektrochemisch aktiven Teilchen, kann die Formulierung mit einem relativ hohen Feststoffgehalt ausgestattet werden, so dass ein größerer Prozentsatz der Teilchen während des Aufbringungsverfahrens in die Beschichtung eingebunden wird. Darüber hinaus kann die Viskosität der Beschichtungsformulierung auch in Abhängigkeit von dem Beschichtungsverfahren und/oder dem verwendeten Typ an Lösungsmittel variieren. Zum Beispiel können niedrigere Viskositäten für einige Beschichtungstechniken (z. B. Tauchbeschichtung) verwendet werden, während höhere Viskositäten für andere Beschichtungstechniken verwendet werden können. Im Allgemeinen ist die Viskosität niedriger als etwa 2 × 10⁶ Centipoise, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 2 × 10⁵ Centipoise, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 2 × 10⁴ Centipoise, und in manchen Ausführungsformen geringer als etwa 2 × 10³ Centipoise, gemessen mit einem Brookfield DV-1-Viskosimeter mit einer LV-Spindel. Falls gewünscht, können Verdickungsmittel oder andere Viskositätsmodifizierer in der Beschichtungsformulierung verwendet werden, um die Viskosität zu erhöhen oder zu senken.
Sobald sie gebildet ist, kann die Beschichtungsformulierung dann auf das Substrat unter Verwendung jedweder bekannten Technik aufgetragen werden. Zum Beispiel kann die Kathodenbeschichtung aufgetragen werden unter Anwendung von Techniken, wie Hitzebehandlung, thermisches Sintern, Sputtern bzw. Vakuumzerstäubung, Siebdruck, Eintauchen, elektrophoretische Beschichtung, Elektronenstrahl-Abscheidung, Sprühen, Walzenpressen, Pinseln bzw. Bürsten, Rakelmesser-Auftrag, Zentrifugalauftrag, Maskieren und Vakuumabscheidung. Andere geeignete Techniken sind ebenfalls beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 369 547 von Evans et al.; 6 594 140 von Evans et al.; und 6 224 985 von Shah et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind. Zum Beispiel kann das Kathodensubstrat eingetaucht werden in oder besprüht werden mit der Beschichtungsformulierung. Die Beschichtungsformulierung kann eine gesamte Oberfläche des Substrats bedecken. Alternativ dazu kann die Beschichtungsformulierung lediglich einen Teil des Substrats bedecken, so dass Platz bleibt, damit ein Deckel, ein Stopper oder andere Komponente(n) gegen das Substrat anliegen. Zum Beispiel kann die Beschichtungsformulierung von etwa 25 % bis etwa 75 % einer Oberfläche des Substrats, und in manchen Ausführungsformen etwa 40 % bis etwa 60 % einer Oberfläche des Substrates bedecken. Nach dem Auftragen kann die Beschichtungsformulierung gegebenenfalls getrocknet werden, um jedwedes) Lösemittel zu entfernen. Das Trocknen kann zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 50°C bis etwa 150°C stattfinden.
Falls gewünscht, kann die Kathodenbeschichtung gesintert werden, um Bindungen zwischen den Bestandteilen der Beschichtung (z. B. elektrochemisch aktive und Klebstoff Teilchen), zwischen den Bestandteilen der Beschichtung und den Metallteilchen und/oder zwischen den Bestandteilen der Beschichtung und dem Kathodensubstrat zu bilden. Das Sintern kann in einem oder mehreren Erwärmungsschritten stattfinden, welche selektiv gesteuert werden, um die gewünschten Bindungen bereitzustellen, ohne die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung nachteilig zu beeinflussen. Die Erwärmungsschritt(e) können zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 2.400°C, in einigen Ausführungsformen von etwa 700°C bis etwa 1.500°C und in manchen Ausführungsformen von etwa 900°C bis etwa 1.200°C stattfinden. In ähnlicher Weise finden die Erwärmungsschritt(e) im Allgemeinen bei einem relativ niedrigen Druck, wie weniger als etwa 200 Millitorr, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 100 Millitorr, und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 50 Millitorr statt. Die Gesamtzeit der Erwärmungsschritt(e) kann in einem Bereich von etwa 10 Minuten bis etwa 3 Stunden liegen. Neben der Erleichterung der Adhäsion der Beschichtung an das Kathodensubstrat kann das Sintern auch andere Vorteile bringen. Zum Beispiel kann das Sintern eine chemische Veränderung in der Beschichtung selbst verursachen, wie durch Reduzieren von Nb₂O₅ zu NbO₂ oder Umwandeln eines Ruthenium- oder Manganoxidvorläufers in RuO₂ bzw. MnO₂. Auf diese Weise kann gleichermaßen die gewünschte Oxidbeschichtung in situ gebildet werden.
Falls gewünscht, können die oben beschriebenen Aufbringungs- und Sinterschritte wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der Kathodenbeschichtung gebildet ist. In einigen Ausführungsformen wird nur eine relativ dünne Schicht der Beschichtung mit einem Mal geformt. Zum Beispiel können Partikel besser an das Kathodensubstrat adhärieren, wenn die Beschichtung durch eine Serie von dünnen Schichten aufgetragen wird. Somit kann eine dünne Schicht der Beschichtung hinzugefügt und gesintert werden, und dann kann eine weitere dünne Schicht der Beschichtung hinzugefügt und dann gesintert werden, wobei jede dünne Schicht eine Dicke von weniger als etwa 150 μm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 100 μm und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 75 μm aufweist. Die Gesamtzieldicke der Kathodenbeschichtung kann im Allgemeinen in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Typischerweise besitzt die Kathodenbeschichtung eine Dicke von weniger als etwa 200 μm, und in einigen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 150 μm.
Die Kathodenbeschichtung kann einzel- oder mehrschichtig sein. In einzelschichtigen Beschichtungen können zum Beispiel elektrochemisch aktive Teilchen und Klebstoff-Teilchen in einer Weise verteilt sein, so dass die Schicht im Wesentlichen gleichförmig oder quer über ihre Dicke homogen ist. In den meisten Ausführungsformen wird jedoch die Kathodenbeschichtung aus mehreren Schichten gebildet. Auf diese Weise können der jeweilige Gehalt, die Dicke etc. der Schichten selektiv maßgeschneidert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Zum Beispiel kann die Kathodenbeschichtung eine erste Schicht enthalten, welche über den Metallteilchen und dem Kathodensubstrat liegt, und eine zweite Schicht, welche über der ersten Schicht liegt. Die zweite Schicht kann elektrochemisch aktive Teilchen enthalten, während die erste Schicht Klebstoffteilchen enthalten kann. Zum Beispiel kann die erste Schicht vorwiegend aus Klebstoffteilchen gebildet sein, wie etwa in einer größeren Menge als etwa 95 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen 100 Gew.-%. Als ein Ergebnis kann die erste Schicht eine stärkere Bindung mit den Metallteilchen und dem Kathodensubstrat bilden, als sie anderweitig mit einer Schicht bilden könnte, die elektrochemisch aktive Teilchen enthält. Obwohl die zweite Schicht hauptsächlich aus elektrochemisch aktiven Teilchen (d. h. zu mehr als etwa 95 Gew.-%) gebildet sein kann, wird es bevorzugt, dass die zweite Schicht ebenfalls Klebstoffteilchen in einer ausreichenden Menge verwendet, um die Bindungsfestigkeit zu verbessern. Zum Beispiel kann die zweite Schicht Klebstoffteilchen in einer Menge von etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, und in manchen Ausführungsformen von etwa 60 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% enthalten, und in ähnlicher Weise elektrochemisch aktive Teilchen in einer Menge von etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, und in manchen Ausführungsformen von etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% enthalten. Falls gewünscht, kann die Kathodenbeschichtung auch eine dritte Schicht enthalten, welche über der zweiten Schicht liegt. Die dritte Schicht kann zum Beispiel vorwiegend aus Klebstoffteilchen gebildet sein, wie oben beschrieben. Auf diese Weise werden die erste und dritte Schicht von Klebstoffteilchen die zweite Schicht sandwichartig einfassen und die Wahrscheinlichkeit weiter erhöhen, dass die elektrochemisch aktiven Teilchen vollständig eingekapselt und gebunden werden innerhalb einer anorganischen Teilchenmatrix.
Zusätzlich zu denjenigen, welche obenstehend angegeben wurden, können auch andere Komponenten in der Kathodenbeschichtung verwendet werden. Zum Beispiel kann ein leitfähiges Polymer verwendet werden, um die Kathodenbeschichtung zu formen, entweder allein oder im Zusammenhang mit den oben identifizierten Komponenten. Geeignete leitfähige Polymere können, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein, Polypyrrole; Polythiophene, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT); Polyaniline; Polyacetylene; Poly-p-phenylene; und Derivate davon einschließen. Verschiedene Methoden können angewandt werden, um ein leitfähiges Polymer auf das Substrat aufzutragen, wie Sputtern bzw. Vakuumzerstäuben, Siebdruck, Eintauchen, elektrophoretische Beschichtung, Elektronenstrahlablagerung, Sprühen und Vakuumabscheidung. In einer Ausführungsform werden die Monomer(e), verwendet zur Bildung des leitfähigen Polymers (z. B. PEDT), anfänglich mit einem Polymerisationskatalysator gemischt, um eine Dispersion zu bilden. Ein Beispiel eines derartigen Katalysators ist BAYTRON C (Bayer Corp.), bei welchem es sich um Eisen(III)-toluolsulphonat und n-Butanol handelt, und welches ein kommerziell verfügbarer Katalysator für BAYTRON M ist, bei welchem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen (PEDT-Monomer) handelt, welches ebenfalls von Bayer Corp. erhältlich ist. Sobald die Dispersion gebildet ist, kann das Substrat dann in die Dispersion so eingetaucht werden, dass sich ein leitfähiges Polymer bildet. Alternativ dazu können der Katalysator und Monomer(e) auch separat aufgetragen werden. In einer Ausführungsform kann der Katalysator in einem Lösemittel (z. B. Butanol) gelöst und dann als eine Eintauchlösung aufgetragen werden. Obwohl verschiedene Verfahren obenstehend beschrieben worden sind, sollte es sich verstehen, dass jedwedes andere Verfahren zur Auftragung der Beschichtung, umfassend das leitfähige Polymer, ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Zum Beispiel können andere geeignete Verfahren beschrieben sein in den U.S.-Patenten Nr. 5 457 862 von Sakata et al., 5 473 503 von Sakata et al., 5 729 428 von Sakata et al., 5 812 367 von Kudoh et al., und 6 674 635 von Fife et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
Die physikalische Anordnung der Kathode und ihrer Komponenten kann im Allgemeinen variieren, wie es im Fachgebiet gut bekannt ist. Unter Bezugnahme auf 1 wird zum Beispiel eine Ausführungsform eines Nass-Elektrolyt-Kondensators 10 gezeigt, welcher einen Elektrolyt 24 einschließt, angeordnet zwischen einer Anode 20 und einer Kathode 13. Die Anode 20 enthält einen dielektrischen Film 21 und ist mit einem Draht 22 (z. B. Tantaldraht) eingebettet. Die Kathode 13 wird gebildet aus einem Kathodensubstrat 12, einer Vielzahl von Metallteilchen 15, und einer Kathodenbeschichtung 14. In dieser Ausführungsform liegt das Kathodensubstrat 12 in der Form einer zylindrisch geformten "Büchse" mit einem daran angebrachten Deckel vor. Ein Verschluss bzw. eine Dichtung 23 (z. B. Glas-auf-Metall) kann ebenfalls verwendet werden, welcher) die Anode 20 mit der Kathode 13 verbindet und verschließt. Obwohl nicht gezeigt, kann der Kondensator 10 auch einen Abstandhalter (nicht gezeigt) einschließen, welcher die Anode 20 fest innerhalb der Kathode 13 hält. Der Abstandhalter kann zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt und scheibenförmig sein.
Eine andere Ausführungsform des Nass-Elektrolyt-Kondensators der vorliegenden Erfindung wird in 2 und 3 gezeigt. Ähnlich zu 1, ist ein Kondensator 100 gezeigt, welcher einen Elektrolyt 124, angeordnet zwischen einer Anode 120 und einer Kathode 113, einschließt. In dieser Ausführungsform jedoch schließt die Kathode 113 ein Kathodensubstrat (nicht gezeigt) in der Form einer rechteckig geformten Metallfolie oder eines Coupons bzw. Probestücks ein. Die Metallteilchen (nicht gezeigt) und die Kathodenbeschichtung (nicht gezeigt) reichen über die Seiten des/der rechteckig geformten Metallcoupons oder -folie hinaus. Ferner sind die Anode 120 und die Kathode 113 beide an eine Spannungsversorgung 130 angeschlossen und sind in einem Glasbecher 132 so aufgehängt, dass sie einander nicht berühren. Obwohl nicht gezeigt, kann ein Separator (z. B. Papier) ebenfalls zwischen der Kathode und Anode positioniert sein, wie es im Fachgebiet gut bekannt ist. Typischerweise sind die Anode und die Kathode durch einen Abstand von etwa 10 Mikrometer bis etwa 1.000 Mikrometer getrennt. Die Kathode ist an einen Metalldraht 134 (z. B. Tantaldraht) durch Punktverschweißung angebracht, zur Bereitstellung von elektrischer Kontinuität bis zur Spannungsversorgung 30.
Der Nass-Elektrolyt-Kondensator der vorliegenden Erfindung zeigt hervorragende elektrische Eigenschaften. Zum Beispiel führt die gute elektrische und mechanische Grenzfläche, gebildet zwischen der Kathodenbeschichtung und den Metallteilchen, zu einer in hohem Maße kontinuierlichen Verbindung mit dem Elektrolyt, wodurch ein niedriger äquivalenter Reihenwiderstand (ESR) vorgesehen wird. Der äquivalente Reihen- bzw. Serienwiderstand eines Kondensators bezieht sich im Allgemeinen auf das Ausmaß, in welchem sich der Kondensator wie ein Widerstand verhält, beim Aufladen und Entladen in einem elektronischen Schaltkreis, und wird üblicherweise als ein Widerstand in Reihe mit dem Kondensator ausgedrückt. Zum Beispiel kann ein Kondensator der vorliegenden Erfindung einen ESR von weniger als etwa 500 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 300 Milliohm und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 200 Milliohm aufweisen, gemessen mit einer 2-Volt-Vorspannung und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 120 Hz. Es wird ebenfalls angenommen, dass der Verlustfaktor (DF, dissipation factor) des Kondensators bei relativ niedrigen Spiegeln gehalten werden kann. Der Verlustfaktor (DF) bezieht sich im Allgemeinen auf Verluste, welche im Kondensator stattfinden und wird üblicherweise als ein Prozentsatz des idealen Kondensatorleistungsverhaltens ausgedrückt. Zum Beispiel beträgt der Verlustfaktor eines Kondensators der vorliegenden Erfindung typischerweise weniger als etwa 10 %, und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 5 %. Ferner kann der Kondensator einen höheren Spiegel an Kathodenkapazität aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Nass-Elektrolyt-Kondensatoren der gleichen allgemeinen Größe und Konfiguration. Zum Beispiel kann das Verhältnis von Kathodenkapazität zu Anodenkapazität mindestens etwa 10, in manchen Ausführungsformen mindestens etwa 50, in einigen Ausführungsformen mindestens etwa 100 und in weiteren Ausführungsformen mindestens etwa 150 betragen. Weiterhin wird angenommen, dass Nass-Elektrolyt-Kondensatoren über einen breiteren Bereich von pH-Werten hinweg (d. h. in neutraleren pH-Umgebungen) funktional sind als bestimmte herkömmliche Nass-Elektrolyt-Kondensatoren. Das Funktionieren über einen breiteren Bereich von pH-Werten bedeutet, dass Nass-Elektrolyt-Kondensatoren, die die hierin beschriebenen Kathoden enthalten, eine breitere Vielzahl von Anoden und anderen Komponenten, wie Gehäusekomponenten enthalten können.
Die Nass-Elektrolyt-Kondensatoren der vorliegenden Erfindung können in verschiedenen Anwendungen, einschließlich, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein, medizinischen Anwendungen, wie Defibrillatoren etc., sowie militärischen Anwendungen, wie RADAR-Systemen und so weiter, ver wendet werden. Die Nass-Elektrolyt-Kondensatoren der vorliegenden Erfindung können auch in Verbraucher-Elektronik, einschließlich Radiogeräten, Fernsehgeräten und so weiter, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann besser unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele verstanden werden.
Testmethoden
Die Kapazität, der äquivalente Reihenwiderstand und der Verlustfaktor wurden bei Umgebungstemperatur gemessen unter Verwendung eines Agilent 4284A-Präzisions-LCR-Messgerätes mit Agilent 16089B-Kelvin-Leitungen mit 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz. Ein EG&G 273 Potentiostat und Solartron 1255 Frequenzantwort-Analysator wurden für die elektrische Charakterisierung verwendet. Kommunikation zwischen der Hardware und der elektrochemischen Zelle wurde erreicht durch Screibner Corrware 2.1-Software. Die Zellenkapazität wurde direkt gemessen, und die größte gemessene Zellenkapazität wurde als die reale Anodenkapazität verwendet. Die Kathodenkapazität wurde dann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
worin,

C_Zelle die gemessene Zellenkapazität ist;
C_Anode die Anodenkapazität ist;
C_Kathode die Kathodenkapazität ist.

BEISPIEL 1
Die Fähigkeit, einen Nass-Elektrolyt-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, wurde aufgezeigt. Eine Tantalfolie (Dicke 250 μm, Ober flächenbereich 4,0 Quadratzentimeter) wurde anfänglich in Seifenwasser während 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 45°C entfettet; mit entionisiertem Wasser gereinigt, luftgetrocknet und wiederum in Ethanol entfettet; mit entionisiertem Wasser gereinigt, luftgetrocknet, und mit 10 Vol-% Fluorwasserstoffsäure während weniger als 5 Minuten geätzt; und mit entionisiertem Wasser gereinigt und luftgetrocknet. Die Tantalfolie wurde dann mit einem agglomerierten Tantalpulver beschichtet. Spezifisch wurde NH175-Pulver von N.C. Starck Co. erhalten und zwischen einem #150-Maschennetz und #250-Maschennetz gesammelt. Ein Baumwoll-Tupfer, getränkt mit 0,25 Gew.-% Natriumcarboxymethylzellulose-Wasserlösung, wurde verwendet, um die Oberfläche des Substrates zu befeuchten. Das aufgefangene Tantalpulver wurde an die nasse Tantaloberfläche durch ein vibriertes #250-Maschennetz zugeführt. Die Tantalpulver-beladene Folie wurde dann bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr und bei einer Temperatur von 1.900°C während 10 Minuten gesintert.
Zwei verschiedene Tinten (Tinten A und B) wurden zur Verwendung bei der Bildung der Kathodenbeschichtung hergestellt. Die Tinte A wurde durch Mischen von 2,2 g NbO₂-Teilchen, 2,2 g Aktivkohleteilchen und 12,0 Milliliter Isopropanol gebildet. Die Tinte B wurde gebildet durch Mischen von 4,4 g NbO₂-Teilchen und 12,0 Millilitern Isopropanol. Die NbO₂-Teilchen wurden erhalten von Reading Alloys, Inc., of Robesonia, Pennsylvania, und wiesen einen B.E.T.-Oberflächenbereich von 3,46 m²/g und eine mittlere Teilchengröße von etwa 1 μm auf. Die Aktivkohleteilchen wurden von Norit Americas, Inc., unter der Bezeichnung "Norit DLC Super 30" erhalten und wiesen einen B.E.T.-Oberflächenbereich von 1.760 m²/g und eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 10 μm auf. Die Tinten wurden dann 30 Minuten lang einem Ultraschallbad unterzogen. Die erste Schicht der Beschichtung wurde durch Aufbringen von Tinte B auf die Innenoberfläche der Metallteilchen-beschichteten Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden zweimal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,0103 Gramm be trug. Die zweite Schicht wurde dann gebildet durch Aufbringen von Tinte A in der oben beschriebenen Weise. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden achtmal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,0170 Gramm betrug. Schließlich wurde die dritte Schicht unter Verwendung von Tinte B in der oben beschriebenen Weise gebildet. Diese Schritte wurden dreimal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der dritten Schicht 0,0125 Gramm betrug. Die Konfigurationen der resultierenden Beschichtungen sind nachstehend in der Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Metallteilchen- und Kathodenbeschichtungs-Konfiguration
Die beschichtete Tantalfolie wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert.
Um ihr elektrisches Leistungsverhalten auszuwerten, wurde die Kathode gegenüber einem zylindrischen Tantal-Butzen und H₂SO₄-Elektrolyt gemessen. Die Tantal-Anode wurde erhalten von Tantalum Pellet Company of Phoenix Arizona, und wurde hergestellt aus H.C. Starck NA30KT-Tantalpulver. Die gesinterte zylindrische Anode wies eine Höhe von 1,8 Zentimetern und einen Durchmesser von 0,65 Zentimetern auf. Die Anode enthielt einen eingebauten Tantal-Leitungsdraht und wog etwa 3,9 Gramm. Die Anode wurde dann bei 50 Volt in einem Phosphorsäurebad bei 85°C anodisiert. Die anodisierte Tantalanode wies eine Kapazität von etwa 2,65 mF auf. Die Anode und Kathode wurden dann in einen 100-Milliliter-Becher, gefüllt mit 5,0 M H₂SO₄, eingebracht, sodass der Abstand zwischen der Anode und der Kathode ungefähr 1,0 Millimeter betrug. Die Zellenkapazität belief sich auf 2,58 mF, die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 97,7 mF. Somit belief sich das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität auf etwa 36,9. Der Verlustfaktor betrug 0,86.
Verschiedene Rasterelektronenmikrofotografien ("SEMs") wurden ebenfalls von dem Kondensator aufgenommen, wie gezeigt in 4–6. Die Oberseitenansicht von 4 veranschaulicht zum Beispiel die Gegenwart von hauptsächlich Niobiumdioxidteilchen, was beweist, dass die Wanderung der Aktivkohleteilchen aus der Beschichtung heraus inhibiert wurde. In ähnlicher Weise beweist das "inselähnliche" Aussehen der Beschichtung, veranschaulicht in 5, die Gegenwart der Tantal-Agglomerate. Es wird angenommen, dass diese Agglomerate die Adhäsion der Kathodenbeschichtung an das Substrat weiter verbessern. Schließlich zeigt die Querschnittansicht von 6 die Gegenwart von sowohl Niobiumdioxidteilchen (weiße Farbe) als auch Aktivkohleteilchen (dunkle Farbe) innerhalb der Kathodenbeschichtung.
BEISPIEL 2
Das Vermögen zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung wurde verdeutlicht. Tantal-Büchsen (T4-Gehäusegröße) wurden entfettet und gespült, wie in Beispiel 1. Die Tantalbüchsen wurden dann mit agglomeriertem Tantalpulver beschichtet. Spezifisch gesagt, wurde NH175-Pulver von H.C. Starck Co. erhalten und zwischen #150-Maschennetz und #250-Maschennetz aufgesammelt. Ein mit Di(ethylenglycol)ethyletheracetat getränkter Baumwolltupfer wurde verwendet, um die Oberfläche des Substrates zu befeuchten. Das aufgesammelte Tantal-Pulver wurde an die nasse Tantal-Oberfläche zugeführt durch ein vibriertes #250-Maschennetz (d. h. 75 bis 150 Mikrometer). Während die Büchsen bei einem Winkel von 70° geneigt waren, wurde Tantal-Pulver in die Büchsen gesprenkelt. Die Büchsen wurden dann um ungefähr 45° rotiert und weiteres Tantal- Pulver wurde in sie versprenkelt bzw. verteilt. Dies wurde wiederholt, bis die Büchsen jeweils um 360° rotiert waren und eine Beladung von ungefähr 0,125 Gramm aufwiesen. Die mit Tantal-Pulver beladenen Büchsen wurden dann bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr und bei einer Temperatur von 1.825°C während 30 Minuten gesintert.
Dann wurde eine Tinte aus NH175-Tantal-Pulver (H.C. Starck) hergestellt, das eine durchschnittliche Größe von weniger als 25 μm aufwies, welches durch Sieben erhalten wurde,. 2 Gramm des Tantalpulvers wurden dann mit 1 Gramm Aktivkohle (durchschnittliche Größe von 10 μm) in 10 Millilitern Di(ethylenglycol)ethyletheracetat gemischt. Die Aktivkohleteilchen waren dieselben, wie beschrieben in Beispiel 1. Die gerührte Tinte wurde in die Büchse hinein pipettiert und heraus pipettiert, wobei ein Überzug von Tinte auf der Innenoberfläche der Büchsen zurückgelassen wurde. Die Büchsen wurden bei 125°C an Luft während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden zweimal wiederholt. Die Konfigurationen der resultierenden Beschichtungen sind in der Tabelle 2 nachstehend dargestellt.
Tabelle 2: Metallteilchen- und Kathodenbeschichtungs-Konfiguration
Die beschichteten Tantalbüchsen wurden dann bei 1.550°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 10 Minuten gesintert. Danach wurden die Kathoden gegen einen zylindrischen Tantalbutzen und H₂SO₄-Elektrolyt, wie beschrieben in Beispiel 1, gemessen. Die Ergebnisse sind nachstehend in der Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3: Elektrische Eigenschaften
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ausgeführt werden, ohne vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus sollte es sich verstehen, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen sowohl vollständig als auch teilweise ausgetauscht werden können. Weiterhin wird es der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet richtig einschätzen, dass die vorangehende Beschreibung lediglich in beispielartiger Weise erfolgte und mit ihr nicht beabsichtigt wird, die Erfindung einzuschränken, welche somit in den beigefügten Patentansprüchen weiter beschrieben wird.

Claims

Nass-Elektrolyt-Kondensator umfassend: eine Anode; eine Kathode, enthaltend eine Vielzahl von Metallteilchen, die auf einer Oberfläche eines Substrats aufgelagert und daran sintergebunden sind, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen; und einen Elektrolyt, welcher zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer oder Silber enthalten.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen Tantal umfassen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 30 bis etwa 400 Mikrometer aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 200 Mikrometer aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen einen spezifischen Oberflächenbereich von etwa 0,05 bis etwa 40 m²/g aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen einen spezifischen Oberflächenbereich von etwa 0,5 bis etwa 5 m²/g aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der Metallteilchen über die Oberfläche des Substrats hinweg voneinander in Abstand vorliegt.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen agglomeriert sind.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei eine Beschichtung über den Metallteilchen und dem Substrat liegt.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung elektrochemisch aktive Teilchen umfasst.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 11, wobei die elektrochemisch aktiven Teilchen Kohlenstoff umfassen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 11, wobei die elektrochemisch aktiven Teilchen ein Metall umfassen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 13, wobei das Metall Palladium ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 11, wobei die elektrochemisch aktiven Teilchen ein Metalloxid umfassen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 15, wobei das Metalloxid RuO₂ ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 15, wobei das Metalloxid MnO₂ ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung ferner ein Bindemittel umfasst.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 18, wobei das Bindemittel Klebstoffteilchen umfasst.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber und Kombinationen davon.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt eine wässrige Lösung ist, die eine Säure enthält.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Anode Tantal oder Niob umfasst.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 22, wobei die Anode Niobiumoxid umfasst.
Verfahren zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators, wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Vielzahl von Metallteilchen auf ein Substrat einer Kathode, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen; Sintern der Metallteilchen; und Anordnen eines Elektrolyts zwischen der Kathode und einer Anode.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen bei einer Temperatur von etwa 1.000°C bis etwa 2.000°C gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen bei einer Temperatur von etwa 1.200°C bis etwa 1.800°C gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen bei einem Druck von weniger als etwa 50 Millitorr gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen Tantal umfassen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 200 Mikrometer aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Metallteilchen agglomeriert sind.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend das Vor-Beschichten des Substrats mit einer viskosen Flüssigkeit vor der Aufbringung der Metallteilchen.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend das Aufbringen einer Beschichtungsformulierung auf das Substrat nach dem Sintern der Metallteilchen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Beschichtungsformulierung bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 2.400°C gesintert wird.