DE102007011361A9

DE102007011361A9 - Nass-Elektrolyt-Kondensator mit einer Kathodenbeschichtung

Info

Publication number: DE102007011361A9
Application number: DE102007011361A
Authority: DE
Inventors: James Allen Fife; Zebbie Lynn Sebald; Gang Ning; James Steven Bates; Robert Hazen Pease
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-01-17
Also published as: GB2435960B; US20070211413A1; JP2007243202A; GB2435960A; US7511943B2; HK1108219A1; DE102007011361A1; GB0704136D0

Abstract

Ein Nass-Elektrolyt-Kondensator, welcher eine Anode, Kathode und einen Elektrolyt einschließt, wird bereitgestellt. Die Kathode enthält ein Substrat und eine Beschichtung, die über dem Substrat liegt. Die Beschichtung umfasst einen gesinterten Körper, enthaltend kohlenstoffhaltige Teilchen (z. B. Aktivkohle) und anorganische Teilchen (z. B. NbO<SUB>2</SUB>).

Description

Hintergrund der Erfindung
Elektrolytische Kondensatoren werden zunehmend beim Entwurf von Schaltkreisen aufgrund ihrer volumetrischen Effizienz, Zuverlässigkeit und Verfahrenskompatibilität verwendet. Elektrolytische 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 Festelektrolytkondensatoren zeigen. 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.
In einer Bestrebung, das elektrische Leistungsverhalten von Nass-Elektrolyt-Kondensatoren weiter zu verbessern, ist manchmal Kohlenstoffpulver auf den Kathodenstromabnehmer aufgebracht worden. Unglücklicherweise ist es schwierig, Kohlenstoffpulver direkt an bestimmte Typen von Stromabnehmern zu binden. Daher wurden viele Techniken mit der Bemühung, dieses Problem zu überwinden, entwickelt. Zum Beispiel beschreibt das U.S.-Patent Nr. 6 914 768 von Matsumoto et al. die Aufbringung einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einen Kathodenstromabnehmer. Die Schicht enthält ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Aktivkohle), ein leitendes Mittel (z.B. Russ) und ein Bindemittel-Material (z.B. Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Carboxymethylcellulose, Fluorolefin-Copolymer-vernetztes Polymer, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure, Polyimid, Petroleum-Teer, Kohlenteer und Phenolharze). Obwohl das Bindemittel-Material dabei helfen kann, das kohlenstoffhaltige Material an die Oberfläche des Stromabnehmers zu heften, wird von ihm nichtsdestoweniger angenommen, die Poren und die Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Materials zu blockieren, wodurch dessen Fähigkeit, den effektiven Kathoden-Oberflächenbereich zu vergrößern, beschränkt wird.
Somit bleibt, trotz der Vorteile, die mit herkömmlichen Nass-Elektrolyt-Kondensatoren erreicht werden, nichtsdestoweniger derzeit ein Bedarf nach Verbesserungen bestehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Nass-Elektrolyt-Kondensator offenbart, welcher eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Elektrolyt umfasst. Die Kathode enthält ein Substrat (z.B. Tantal) und eine Beschichtung, welche über dem Substrat liegt. Die Beschichtung umfasst kohlenstoffhaltige Teilchen (z.B. Aktivkohle) und anorganische Teilchen (z.B. NbO₂). Die anorganischen Teilchen werden an die kohlenstoffhaltigen Teilchen und an das Substrat sintergebunden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Auftragen einer Beschichtungsformulierung auf das Substrat einer Kathode; das Sintern der Beschichtungsformulierung zur Bildung einer Kathodenbeschichtung, wobei die Kathodenbeschichtung kohlen stoffhaltige Teilchen und anorganische Teilchen umfasst; 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 Durchschnittsfachmann richtet, wird im Rest der Patentschrift genauer dargelegt, die 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;
3 eine Seitenansicht des Kondensators von 2 ist;
4 eine SEM- bzw. Rasterelektronenmikroskop-Mikrofotografie (5.000X) der Oberseite der Kathodenbeschichtung ist, welche in Beispiel 6 gebildet wird;
5 eine SEM-Mikrofotografie (140X) der Seite der Kathodenbeschichtung ist, welche in Beispiel 6 gebildet wird; und
6 eine SEM-Mikrofotografie (2.500X) eines Querschnitts der Kathodenbeschichtung, gebildet in Beispiel 6, ist.
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. Genauer gesagt, wird die Kathode aus einem Substrat geformt, welches mit einem gesinterten Körper beschichtet ist, der kohlenstoffhaltige Teilchen und anorganische Teilchen enthält. Die kohlenstoffhaltigen Teilchen wirken zur Erhöhung des effektiven Oberflächenbereichs des Kathodensubstrats. Darüber hinaus bilden die anorganischen Teilchen, wenn sie gesintert werden, Bindungen sowohl mit dem Kathodensubstrat als auch mit den kohlenstoffhaltigen Teilchen aus, wodurch die kohlenstoffhaltigen Teilchen an das Substrat haften, ohne ihre Poren und/oder Oberflächen signifikant zu blockieren. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben festgestellt, dass eine solche Kathodenbeschichtung eine erhöhte Bindungsfestigkeit hat und verbesserte elektrische Eigenschaften an den resultierenden Nass-Elektrolyt-Kondensator vermitteln kann. Verschiedene Ausführungsformen des Nass-Elektrolyt-Kondensators werden nun in größerer Ausführlichkeit beschrieben. Es sollte sich verstehen, dass die nachstehende Beschreibung lediglich beispielhaft ist, und mehrere andere Ausführungsformen werden ebenfalls von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen.
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 fähig zur Oxidation 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 beschrieben 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 durch Erhitzen des Pellets unter Vakuum bei einer bestimmten Temperatur (z.B. von etwa 150°C bis etwa 500°C) während mehreren Minuten entfernt werden. 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 gesintert zur Bildung einer porösen integralen Masse. Zum Beispiel kann das Pellet, in einer Ausführungsform bei einer Temperatur von etwa 1.200°C bis etwa 2.000°C, und in manchen Ausführungsformen von etwa 1.500°C bis etwa 1.800°C, unter Vakuum gesintert werden. 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 Tantalpentoxidbeschichtung 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 Anodisierungspannung 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 dielektri sche Film aus anderen Typen von Materialien und unter Anwendung anderer Techniken geformt werden kann.
II. Elektrolyt
Wie oben angegeben, ist ein Elektrolyt angeordnet zwischen und in Kontakt mit der Anode und 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
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Kathode ein Substrat und eine Beschichtung, welche über dem Substrat liegt. Das Substrat kann aus jedwedem Metall gebildet werden, 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 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 ge formte "Büchse" mit einem angebrachten Deckel. Der Oberflächenbereich des Kathodensubstrats wird gewählt, um ein bestimmtes Kapazitätsniveau bereitzustellen. Zum Beispiel bedeckt das Kathodensubstrat 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.
Die Kathodenbeschichtung wird aus einem gesinterten Körper gebildet, der kohlenstoffhaltige Teilchen, anorganische Teilchen und/oder andere Komponenten zur Bereitstellung verbesserter Eigenschaften an den resultierenden Kondensator enthält. Die kohlenstoffhaltigen Teilchen erhöhen zum Beispiel den effektiven Kathoden-Oberflächenbereich, über den der Elektrolyt elektrochemisch mit dem Kathodensubstrat kommunizieren kann. Ein derartiger erhöhter effektiver Kathoden-Oberflächenbereich ermöglicht die Bildung von Kondensatoren mit erhöhter Zellenkapazität für eine gegebene Größe und/oder von Kondensatoren mit reduzierter Größe für eine gegebene Kapazität. Typischerweise besitzen die kohlenstoffhaltigen 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. 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. Um den gewünschten Oberflächenbereich zu erzielen, besitzen die kohlenstoffhaltigen Teilchen im Allgemeinen eine geringe Größe. Zum Beispiel kann die mittlere Größe der kohlenstoffhaltigen 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 kohlenstoffhaltigen Teilchen porös sein. Ohne dass beabsichtigt wird, durch die Theorie beschränkt zu sein, wird es angenommen, dass poröse kohlenstoffhaltige Teilchen eine Passage bzw. einen Durchgangsweg für einen Elektrolyt bereitstellen, um das Kathodensubstrat besser zu kontaktieren. Zum Beispiel können die kohlenstoffhaltigen 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.
Zusätzlich dazu, dass sie einen hohen Oberflächenbereich aufweisen, sind die kohlenstoffhaltigen Teilchen des Weiteren leitend oder halbleitend, so dass der Elektrolyt einen guten elektrischen Kontakt mit dem Kathodensubstrat aufrecht erhält. Das Ausmaß der Leitfähigkeit kann in den Ausdrücken der "Resistivität" der kohlenstoffhaltigen Teilchen bei etwa 20°C charakterisiert werden, welche im Allgemeinen weniger als etwa 1 Ohm-cm ist, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10^–2 Ohm-cm und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10^–3 Ohm-cm ist. Verschiedene kohlenstoffhaltige Teilchen können 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 zu ihrer Bildung, werden beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 5 726 118 von Ivey 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.
Allgemein ausgedrückt, ist es schwierig, die kohlenstoffhaltigen Teilchen direkt an das Kathodensubstrat zu binden. In dem Ausmaß, in welchem irgendeine Bindung stattfindet, wird die Bindung wahrscheinlich eine Carbidbindung (z.B. Tantalcarbid) sein, welche leicht bei hohen Temperaturen gebrochen wird, wodurch die Entfernung der kohlenstoffhaltigen Teilchen verursacht wird. Daher werden, gemäß der vorliegenden Erfindung, anorganische Teilchen ebenfalls in der Kathodenbeschichtung verwendet, um die kohlenstoffhaltigen Teilchen effektiv vor direktem chemischem Kontakt mit dem Kathodensubstrat abzutrennen bzw. abzusondern. Spezifischer, bilden die anorganischen Teilchen Bindungen mit dem Kathodensubstrat und kohlenstoffhaltigen Teilchen, wenn sie gesintert werden (d.h. sintergebunden bzw. sinterverklebt). Die Beschaffenheit der Bindung kann variieren und kann metallurgisch, kovalent, elektrostatisch etc. sein. Die anorganischen Teilchen können auch die kohlenstoffhaltigen Teilchen umgeben, um ihre Entfernung weiter zu inhibieren. In dieser Hinsicht haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung festgestellt, dass anorganische Teilchen, die kleiner als die kohlenstoffhaltigen Teilchen sind, solche Teilchen beim Sintern effektiver umgeben können. Dieser relative Größenunterschied kann durch das Verhältnis der mittleren Teilchengröße der kohlenstoffhaltigen Teilchen zur mittleren Teilchengröße der anorganischen Teilchen 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 anorganischen Teilchen 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 begrenzt zu sein, nehmen die Erfinder der vorliegenden Anmeldung des Weiteren an, dass die anorganischen Teilchen die Poren und Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Teilchen nicht im Wesentlichen blockieren. Auf diese Weise können die kohlenstoffhaltigen Teilchen einen hohen Oberflächenbereich zum Kontaktieren des Elektrolyts beibehalten.
Um sicherzustellen, dass die gewünschte Höhe des elektrischen Kontakts beibehalten wird, sind die anorganischen Teilchen im Allgemeinen leitfähig oder halb-leitfähig, aber nicht notwendigerweise im gleichen Ausmaß wie die kohlenstoffhaltigen Teilchen. Zum Beispiel besitzen die anorganischen Teilchen typischerweise eine Resistivität (bei etwa 20°C) von weniger als etwa 1 × 10⁵ Ohm-cm, in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10⁴ Ohm-cm und in manchen Ausführungsformen weniger als etwa 1 × 10³ Ohm- cm. In dieser Hinsicht kann jedes von einer Vielzahl von leitfähigen oder halb-leitfähigen Teilchen, welche die gewünschte Höhe an Klebefestigkeit bereitstellen, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können die anorganischen Teilchen gebildet werden 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. Ein besonders effektiver Typ von anorganischen Teilchen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird gebildet 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. Zum Beispiel kann das Niobiumoxid Nb_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ sein. In einer besonderen Ausführungsform werden die anorganischen 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 auf 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, sodass das NbO₂ gut an das Kathodensubstrat und die kohlenstoffhaltigen Teilchen bindet, während es noch seine chemische Struktur und physikalischen Eigenschaften beibehält. Darüber hinaus wird angenommen, dass NbO₂-beschichtete Kathoden effektiv über einen breiten pH-Bereich operieren können, was die Verwendung eines großen Spielraums von verschiedenen Typen von Anoden zulässt.
Die anorganischen Teilchen können jede gewünschte Gestalt aufweisen, wie winkelig, knotig, Flocken etc. Der spezifische Oberflächenbereich der anorganischen Teilchen kann von etwa 0,1 bis etwa 200 m²/g, in einigen Ausführungsformen von etwa 0,5 bis etwa 100 m²/g und in manchen Ausführungsformen von etwa 1 bis etwa 40 m²/g betragen. Die anorganischen Teilchen können gegebenenfalls agglomeriert werden unter Anwendung jedweder im Fachgebiet bekannter Technik, wie Hitzebehandlung, organische Bindemittel und so weiter. In einer Ausführungsform werden die anorganischen Teilchen 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.
Die relative Menge der kohlenstoffhaltigen Teilchen und anorganischen Teilchen in der Kathodenbeschichtung kann auch abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Zum Beispiel wird eine größere relative Menge an kohlenstoffhaltigen Teilchen im Allgemeinen zu einem Kondensator mit einer größeren Kathodenkapazität führen. Wenn die Menge der kohlenstoffhaltigen Teilchen zu groß ist, kann jedoch die Kathodenbeschichtung nicht ausreichend an das Kathodensubstrat binden. Daher, um ein angemessenes Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften zu erzielen, enthält die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung typischerweise anorganische Teilchen und kohlenstoffhaltige 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 anorganischen Teilchen 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 kohlenstoffhaltigen 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.
Die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung kann einzel- oder mehrschichtig sein. In einzelschichtigen Beschichtungen sind die kohlenstoffhaltigen Teilchen und anorganischen Teilchen zum Beispiel in einer Weise verteilt, so dass die Schicht im wesentlichen gleichmäßig oder homogen über ihre Dicke ist. In den meisten Ausführungsformen jedoch wird die Kathodenbeschichtung aus mehreren Lagen gebildet. Auf diese Weise können der jeweilige Gehalt, die Dicke etc. der Schichten selektiv maßgeschneidert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Zum Beispiel kann die Kathodenbeschichtung eine erste Schicht enthalten, welche über dem Kathodensubstrat liegt, und eine zweite Schicht, die über der ersten Schicht liegt. Die zweite Schicht kann kohlenstoffhaltige Teilchen enthalten, wohingegen die erste Schicht anorganische Teilchen enthalten kann. Zum Beispiel kann die erste Schicht hauptsächlich aus anorganischen Teilchen gebildet sein, wie etwa in einer größeren Menge als etwa 95 Gew.-% und in manchen Ausführungsformen 100 Gew.-%. Als ein Ergebnis kann die erste Schicht eine stärkere Bindung mit dem Kathodensubstrat bilden, als sie anderweitig zwischen dem Kathodensubstrat und einer Schicht, welche kohlenstoffhaltige Teilchen enthält, geformt werden könnte. Obwohl die zweite Schicht hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigen Teilchen (z.B. größer als etwa 95 Gew.-%) gebildet sein kann, wird es bevorzugt, dass die zweite Schicht auch anorganische Teilchen in einer ausreichenden Menge enthält, um die Bindungsfestigkeit zu verbessern. Zum Beispiel kann die zweite Schicht anorganische Teilchen 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 kann in ähnlicher Weise kohlenstoffhaltige 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, die über der zweiten Schicht liegt. Die dritte Schicht kann zum Beispiel hauptsächlich aus anorganischen Teilchen gebildet sein, wie oben beschrieben. Auf diese Weise werden die erste und dritte Schicht von anorganischen Teilchen die zweite Schicht sandwichartig einfassen und die Wahrscheinlichkeit weiter erhöhen, dass die kohlenstoffhaltigen Teilchen vollständig eingekapselt und innerhalb einer anorganischen Teilchenmatrix gebunden werden.
Um die Beschichtung auf das Kathodensubstrat aufzubringen, können die kohlenstoffhaltigen Teilchen und/oder anorganischen Teilchen 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 zum Beispiel 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 kohlenstoffhaltigen 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, wie 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 geeignte 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 Be schichtungsformulierung. 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 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 jedwede(s) Lösemittel zu entfernen. Das Trocknen kann zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 50°C bis etwa 150°C stattfinden.
Ungeachtet der Weise, in der sie aufgebracht wird, wird die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung gesintert, um Bindungen zwischen den anorganischen Teilchen und den kohlenstoffhaltigen Teilchen 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 anorganischen Teilchen und/oder kohlenstoffhaltigen Teilchen 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. Auf diese Weise kann 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. Ohne dass beabsichtigt wird, durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die anorganischen Teilchen 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.
Allgemein gesprochen, wird die gesinterte Beschichtung der vorliegenden Erfindung nicht ohne weiteres korrodiert. Nichtsdestoweniger kann sie manchmal bestimmte Strukturdefekte erleiden, wenn sie hochkorrosiven Elektrolyten (z.B. Schwefelsäure) bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, was seinerseits zu einer Schwächung der Bindung führt, welche zwischen der Beschichtung und dem Kathodensubstrat gebildet wurde. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann eine Vielzahl von Metallteilchen wahlfrei in der vorliegenden Erfindung zwischen dem Kathodensubstrat und der Beschichtung gebildet werden. Die Metallteilchen können eine starke Bindung mit sowohl dem Kathodensubstrat als auch der Kathodenbeschichtung unter hochkorrosiven Hochtemperaturbedingungen aufrecht erhalten.
Die Metallteilchen können vorwiegend aus einem Metall oder aus einer Zusammensetzung, welche ein Metall als eine Komponente enthält, aufgebaut sein. Geeignete Metallteilchen können beispielsweise gebildet sein aus Tantal, Niobium, 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 Beladung wird indirekt erwärmt, bis die exotherme Reaktion spontan initiiert wird.
Mechanische Verarbeitungs- bzw. Mahltechniken können angewandt werden, um das Metallpulver (z.B. Metallhydrid) zu einer gewünschten 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, in manchen Ausführungsformen etwa 0,5:1 bis etwa 2:1, und in manchen Ausführungsformen von etwa 0,5:1 bis etwa 1:1 betragen. 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, benötigt zum Erzielen des spezifischen Zieloberflächenbereichs. Zum Beispiel kann die Mahldauer 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 abgetrennt 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 haften 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.
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, 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 eine oder mehrere Schichten (z.B. Monoschicht) von Metallteilchen auf der Substratoberfläche ausgebildet, um eine Beschichtung zu formen. Die Dicke der Beschichtung kann abhängig 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 der Kathodenbeschichtung anschließend in den 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 bei 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 als die bevorzugte Sintertemperatur für die Kathodenbeschichtung ist, 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.
Zusätzlich zu denjenigen, die oben angegeben wurden, können auch andere wahlfreie Komponenten im Nass-Elektrolyt-Kondensator der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann eine leitfähige Polymerbeschichtung verwendet werden, welche über der Kathodenbeschichtung liegt. 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. Die leitfähige Polymerbeschichtung kann auch gebildet werden aus mehreren leitfähigen Polymerschichten. Zum Beispiel kann das leitfähige Polymer eine aus PEDT gebildete Schicht und eine andere Schicht, gebildet aus Polypyrrol, enthalten.
Obwohl nicht erforderlich, kann die leitfähige Polymerbeschichtung die effektive Kapazität des Kondensators weiter erhöhen. Zum Beispiel wenn ein leitfähiges Monomer polymerisiert, nimmt es typischerweise eine amorphe nichtkristalline Form an, welche bei Betrachtung unter Rasterelektronenmikroskopie in gewisser Weise wie ein Netz aussieht. Dies bedeutet, dass die resultierende leitfähige Polymerbeschichtung einen hohen Oberflächenbereich aufweist und deshalb so wirkt, dass der effektive Oberflächenbereich des beschichteten Substrats, auf das sie aufgebracht wird, etwas erhöht wird. Verschiedene Verfahren können angewandt werden, um die leitfähige Polymerbeschichtung auf die Kathodenbeschichtung aufzutragen. Zum Beispiel können Techniken, wie Sputtern bzw. Vakuumzerstäuben, Siebdruck, Eintauchen, elektrophoretische Beschichtung, Elektronenstrahlablagerung, Sprü hen und Vakuumabscheidung zur Bildung der Beschichtung verwendet werd en. In einer Ausführungsform können die Monomer(e), verwendet zur Bildung des leitfähigen Polymers (z.B. PEDT), anfänglich mit einem Polymerisationskatalysator gemischt werden, um eine Dispersion zu bilden. Zum Beispiel ist ein derartiger Katalysator BAYTRON C (Bayer Corp.), bei welches es sich um Eisen(III)-toluolsulphonat und n-Butanol handelt. BAYTRON C ist ein kommerziell verfügbarer Katalysator für BAYTRON M, bei welchem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen handelt, ein PEDT-Monomer, welches ebenfalls von der Bayer Corporation vertrieben wird. Sobald eine Dispersion gebildet ist, kann das beschichtete Kathodensubstrat 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 die leitfähige Polymerbeschichtung, ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Zum Beispiel können andere Verfahren zum Aufbringen einer solchen Beschichtung, umfassend ein oder mehrere leitfähige Polymere, 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., und 5 812 367 von Kudoh et al., welche hierin in ihrer Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen sind.
Eine Schutzbeschichtung kann auch wahlfrei zwischen der leitfähigen Polymerbeschichtung und der Kathodenbeschichtung positioniert sein. Es wird angenommen, dass die Schutzbeschichtung die mechanische Stabilität der Grenzfläche zwischen der leitfähigen Polymerbeschichtung und der Kathodenbeschichtung verbessern kann. Die Schutzbeschichtung kann aus relativ isolierenden harzartigen Materialien (natürlich oder synthetisch) gebildet sein. Einige harzartigen Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Po lyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z.B. Glyceride) und so weiter, ein. Zum Beispiel schließen geeignete Ester von Fettsäuren, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Elaeostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Schellolsäure und so weiter ein. Diese Ester von Fettsäuren sind festgestelltermaßen besonders nützlich bei Verwendung in relativ komplexen Kombinationen zur Bildung eines "Trocknungsöls", das gestattet, dass die resultierende Schicht rasch zu einer stabilen Schicht polymerisiert. Solche Trocknungsöle können Mono-, Di- und/oder Triglyceride einschließen, die ein Glyerol-Grundgerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten, die verestert sind, aufweisen. Zum Beispiel schließen einige geeignete Trocknungsöle, die verwendet werden können, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Olivenöl, Leinsamenöl, Castoröl, Tungöl, Sojabohnenöl und Schellack ein. Diese und andere Schutzbeschichtungs-Materialien werden in größerer Ausführlichkeit beschrieben im U.S.-Patent 6 674 635 von Fife et al., das hierin in seiner Gesamtheit durch den Bezug darauf für alle Zwecke einbezogen ist.
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 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, welche(r) die Anode 20 mit der Kathode 13 verbindet und verschließt. Obwohl nicht gezeigt, kann der Kondensator 10 auch einen Abstandhalter (nicht gezeigt) einschlie ßen, 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 Kathodenbeschichtung (nicht gezeigt) reicht 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 dem Substrat, 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 Milli ohm, 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, verwendet 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 unter Verwendung eines Agilent 4284A-Präzisions-LCR-Messgerätes mit Agilent 16089B-Kelvin-Leitungen mit 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal gemessen. 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 Tantalbüchse (T4-Gehäusegröße) wurde als das Kathodensubstrat verwendet, das eine Höhe von 2,65 cm, einen Außendurchmesser von 0,96 cm und eine Wanddicke von 0,025 cm aufweist. Der resultierende Oberflächenbereich der Büchse betrug 7,0 Quadratzentimeter. Die Tantal-Büchse wurde anfänglich in Seifenwasser während 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 45°C entfettet; mit entionisiertem Wasser gereinigt, luftgetrocknet und erneut 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.
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 Gramm NbO₂-Teilchen, 2,2 Gramm Aktivkohleteilchen und 12,0 Millilitern Isopropanol gebildet. Die Tinte B wurde gebildet durch Mischen von 4,4 Gramm 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 Tantal-Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden zweimal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,00160 Gramm betrug. Die zweite Schicht wurde dann gebildet durch Aufbringen von Tinte A auf die Tantal-Büchse in der oben beschriebenen Weise. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden achtmal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,0214 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 0,0081 Gramm be trug. Die Konfiguration der resultierenden Kathodenbeschichtung ist nachstehend in der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 NbO₂ 0,0016

2 NbO₂ (50 Gew.-%) 0,0107

Aktivkohle (50 Gew.-%) 0,0107

3 NbO₂ 0,0081
Die beschichtete Tantalbüchse 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 μF auf. Die anodisierte Tantalanode wurde dann innerhalb der beschichteten Tantalbüchse so montiert, dass sie 0,4 cm unter der Oberkante der Büchse positioniert war. Der H₂SO₄-Elektrolyt (5,0-molar) wurde langsam bis zur Oberkante der Büchse eingefüllt. Die Distanz zwischen der Anode und der Kathode betrug ungefähr 1,0 Millimeter. Die resultierende Zellenkapazität betrug 2,62 milliFarad ("mF"), die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 231,0 mF. Somit betrug das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität etwa 87,2. Der Zellen-ESR belief sich auf 0,20 Ohm.
BEISPIEL 2
Das Vermögen zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung wurde verdeutlicht. Eine Tantal-Büchse (T4-Gehäusegröße) wurde entfettet und gespült, wie in Beispiel 1. Zwei verschiedene Tinten (Tinten A und B) wurden dann zur Verwendung bei der Bildung der Kathodenbeschichtung hergestellt. Die Tinte A wurde durch Mischen von 3,08 Gramm NbO₂-Teilchen, 1,32 Gramm Aktivkohleteilchen und 12,0 Milliliter Isopropanol gebildet. Die Tinte B wurde gebildet durch Mischen von 4,4 Gramm NbO₂-Teilchen und 12,0 Millilitern Isopropanol. Die NbO₂- und Aktivkohleteilchen waren dieselben, wie beschrieben in Beispiel 1. 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 Tantal-Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden zweimal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,00270 Gramm betrug. Die zweite Schicht wurde dann durch Aufbringen von Tinte A auf die Tantal-Büchse in der oben beschriebenen Weise gebildet. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden achtmal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,0173 Gramm betrug. Schließlich wurde die dritte Schicht unter Verwendung von Tinte B in der oben beschriebenen Weise gebildet. Diese Schritte wurden dreimal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der dritten Schicht 0,0043 Gramm betrug. Die Konfiguration der resultierenden Kathodenbeschichtung ist nachstehend in der Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2: Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 NbO₂ 0,00270

2 NbO₂ (70 Gew.-%) 0,01211

Aktivkohle (30 Gew.-%) 0,00519

3 NbO₂ 0,00430
Die beschichtete Tantalbüchse wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Dann wurde die Kathode gegenüber einem zylindrischen Tantal-Butzen und H₂SO₄-Elektrolyt gemessen, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Zellenkapazität betrug 2,62 mF, die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 231,0 mF. Somit betrug das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität etwa 87,2. Der Zellen-ESR belief sich auf 0,16 Ohm.
BEISPIEL 3
Das Vermögen zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung wurde verdeutlicht. Eine Tantal-Büchse (T4-Gehäusegröße) wurde entfettet und gespült, wie in Beispiel 1. Zwei verschiedene Tinten (Tinten A und B) wurden dann zur Verwendung bei der Bildung der Kathodenbeschichtung hergestellt. Die Tinte A wurde durch Mischen von 3,08 Gramm NbO₂-Teilchen, 1,32 Gramm Aktivkohleteilchen und 12,0 Milliliter Isopropanol gebildet. Die Tinte B wurde gebildet durch Mischen von 4,4 Gramm NbO₂-Teilchen und 12,0 Millilitern Isopropanol. Die NbO₂- und Aktivkohleteilchen waren dieselben, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Tinten wurden dann 30 Minuten lang einem Ultraschallbad unterzogen. Die erste Schicht der Beschichtung wurde durch Aufbringen von Tinte A auf die Innenoberfläche der Tantal-Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden achtmal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,0229 Gramm betrug. Die zweite Schicht wurde dann gebildet durch Aufbringen von Tinte B auf die Tantal-Büchse in der oben beschriebenen Weise. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden dreimal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,0081 Gramm betrug. Die Konfiguration der resultierenden Kathodenbeschichtung ist nachstehend in der Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3: Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 NbO₂ (70 Gew.-%) 0,01603

Aktivkohle (30 Gew.-%) 0,00687

2 NbO₂ 0,00810
Die beschichtete Tantalbüchse wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Dann wurde die Kathode gegenüber einem zylindrischen Tantal-Butzen und H₂SO₄-Elektrolyt gemessen, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Zellenkapazität betrug 2,64 mF, die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 699,0 mF. Somit betrug das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität etwa 264. Der Zellen-ESR belief sich auf 0,19 Ohm.
BEISPIEL 4
Das Vermögen zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung wurde verdeutlicht. Eine Tantal-Büchse (T4-Gehäusegröße) wurden entfettet und gespült, wie in Beispiel 1. Eine Tinte (Tinte A) wurde dann zur Verwendung bei der Bildung der Kathodenbeschichtung hergestellt. Die Tinte A wurde durch Mischen von 4,4 Gramm NbO₂-Teilchen und 12,0 Milliliter Isopropanol gebildet. Die NbO₂-Teilchen waren dieselben, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Tinte wurde dann 30 Minuten lang einem Ultraschallbad unterzogen. Die erste Schicht der Beschichtung wurde durch Aufbringen von Tinte A auf die Innenoberfläche der Tantal-Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden achtmal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,068 Gramm betrug. Die zweite Schicht wurde dann gebildet durch Aufbringen von Tinte A auf die Tantal-Büchse in der oben beschriebenen Weise. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden dreimal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,072 Gramm betrug. Schließlich wurde die dritte Schicht unter Verwendung von Tinte A in der oben beschriebenen Weise gebildet. Diese Schritte wurden dreimal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der dritten Schicht 0,070 Gramm betrug. Die Konfiguration der resultierenden Kathodenbeschichtung ist nachstehend in der Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4: Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 NbO₂ 0,068

2 NbO₂ 0,072

3 NbO₂ 0,070
Die beschichtete Tantalbüchse wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Danach wurde die Kathode gegenüber einem zylindrischen Tantal-Butzen und H₂SO₄-Elektrolyt gemessen, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Zellenkapazität betrug 2,18 mF, die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 11,7 mF. Somit betrug das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität etwa 4,42. Der Zellen-ESR belief sich auf 0,17 Ohm.
BEISPIEL 5
Die Fähigkeit, einen Nass-Elektrolyt-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, wurde aufgezeigt. Eine Tantalbüchse (T4-Gehäusegröße) wurde entfettet und gereinigt, wie in Beispiel 1. Zwei verschiedene Tinten (Tinten A und B) wurden dann zur Verwendung bei der Bildung der Kathodenbeschichtung hergestellt. Die Tinte A wurde durch Mischen von 3,52 Gramm NbO-Teilchen, 0,88 Gramm Aktivkohleteilchen und 12,0 Milliliter Isopropanol gebildet. Die Tinte B wurde gebildet durch Mischen von 4,4 Gramm NbO-Teilchen und 12,0 Millilitern Isopropanol. Die NbO-Teilchen wurden erhalten von Reading Alloys, Inc., und wiesen einen B.E.T.-Oberflächenbereich von 1,22 m²/g und eine mittlere Teilchengröße von 1,8 Mikrometer auf. Die Aktivkohleteilchen waren dieselben, wie in Beispiel 1 beschrieben. 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 Tantal-Büchse unter Verwendung einer Pipette gebildet. Die Tinte wurde dann bei 120°C während 15 Minuten getrocknet. Diese Schritte wurden zweimal wiederholt, so dass das Gesamtgewicht der ersten Schicht 0,0102 Gramm betrug. Die zweite Schicht wurde dann gebildet durch Aufbringen von Tinte A auf die Tantal-Büchse in der oben beschriebenen Weise. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden achtmal wiederholt, sodass das Gesamtgewicht der zweiten Schicht 0,0156 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 0,0120 Gramm betrug. Die Konfiguration der resultierenden Kathodenbeschichtung ist nachstehend in der Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 5: Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 NbO 0,01020

2 NbO (80 Gew.-%) 0,01268

Aktivkohle (20 Gew.-%) 0,00310

3 NbO 0,01200
Die beschichtete Tantalbüchse wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Danach wurde die Kathode gegenüber einem zylindrischen Tantal-Butzen und H₂SO₄-Elektrolyt gemessen, wie beschrieben in Beispiel 1. Die Zellenkapazität betrug 2,58 mF, die Anodenkapazität betrug 2,65 mF, und die Kathodenkapazität betrug 97,7 mF. Somit betrug das Verhältnis der Kathoden- zur Anodenkapazität etwa 36,8. Der Zellen-ESR belief sich auf 0,16 Ohm.
BEISPIEL 6
Die Fähigkeit, einen Nass-Elektrolyt-Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, wurde aufgezeigt. Eine Tantalfolie (Dicke 250 μm, Oberflächenbereich 4,0 Quadratzentimeter) wurde entfettet und gereinigt, wie in Beispiel 1. Die Tantalfolie wurde 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 0,25 Gew.-% Natriumcarboxymethylcellulose-Wasser-Lösung getränkter Baumwolltupfer wurde verwendet, um die Oberfläche des Substrats zu befeuchten. Das aufgesammelte Tantal-Pulver wurde an die nasse Tantal-Oberfläche zugeführt durch ein vibriertes #250-Maschennetz. Die mit Tantal-Pulver beladene Folie wurde dann bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr und bei einer Temperatur von 1.900°C während 10 Minuten gesintert. Die Tinten A und B wurden dann aufgebracht, wie beschrieben in Beispiel 1.
Die Konfigurationen der resultierenden Beschichtungen sind nachstehend in der Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6: Metallteilchen- und Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Schicht Bestandteile Gewicht (Gramm)

1 Ta-Teilchen 0,0602

2 NbO₂ 0,0103

3 NbO₂ (80 Gew.-%) 0,0136

Aktivkohle (20 Gew.-%) 0,0034

4 NbO₂ 0,0125
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 7
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 gesprenkelt 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), aufweisend eine durchschnittliche Größe von weniger als 25 μm, welches durch Sieben erhalten wurde, hergestellt. 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 nachstehend in der Tabelle 7 dargestellt. Tabelle 7: Metallteilchen- und Kathodenbeschichtungs-Konfiguration

Büchse	Substratgewicht (g)	Gew. von Tantal-Teilchen (g)	Gew. der Kathodenbeschichtung (g)
1	3,6736	0,2254	0,0213
2	3,6696	0,1935	0,0208
3	3,6729	0,1810	0,0199
4	3,6734	0,1982	0,0270
5	3,6429	0,1807	0,0213

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 8 gezeigt. Tabelle 8: Elektrische Eigenschaften

Probe Mit Anode

Kapazität (μF) ESR (Ohm)

1 2302 0,329

2 2349 0,272

3 2287 0,273

4 2149 0,253

5 2354 0,345
BEISPIEL 8
Eine Aluminiumfolie wurde verglichen mit einer Tantalfolie hinsichtlich ihres Vermögens, an die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung zu adhärieren. Die Aluminiumfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) wurde anfänglich entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1. Die Tinte B wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und auf die Aluminiumfolie aufgebracht, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,051 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Aluminiumfolie wurde dann bei 600°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Zum Vergleich wurde auch eine Tantalfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1, und dann mit der Tinte B versehen, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,051 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Tantalfolie wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Kratzen mit einem Laborspatel wurde angewandt, um die Adhäsion zu bewerten. Die NbO₂-Beschichtung schien besser an der Tantalfolie als an der Aluminiumfolie zu haften.
BEISPIEL 9
Eine Kupferfolie wurde verglichen mit einer Tantalfolie hinsichtlich ihres Vermögens, an die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung zu adhärieren. Die Aluminiumfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) wurde anfänglich entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1. Die Tinte B wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und auf die Folie aufgebracht, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,050 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Folie wurde dann bei 900°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Zum Vergleich wurde auch eine Tantalfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1, und dann mit der Tinte B versehen, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,050 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Tantalfolie wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Kratzen mit einem Laborspatel wurde angewandt, um die Adhäsion zu bewerten. Die NbO₂-Beschichtung schien an der Tantalfolie und an der Kupferfolie in vergleichbarer Weise zu haften.
BEISPIEL 10
Ein nichtrostendes Stahl-Substrat wurde mit einer Tantalfolie hinsichtlich seines Vermögens verglichen, an die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung zu adhärieren. Das nichtrostende Stahl-Substrat (Dicke 500 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) wurde anfänglich entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1. Die Tinte B wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und auf das Substrat aufgebracht, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,056 Gramm zu erzielen. Das beschichtete Substrat wurde dann bei 1.000°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Zum Vergleich wurde auch eine Tantalfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1, und dann mit der Tinte B versehen, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,056 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Tantalfolie wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Kratzen mit einem Laborspatel wurde angewandt, um die Adhäsion zu bewerten. Die NbO₂-Beschichtung schien besser an der Tantalfolie als an dem nichtrostenden Stahl-Substrat zu haften.
BEISPIEL 11
Ein Nickelschaum wurde mit einer Tantalfolie hinsichtlich seines Vermögens verglichen, an die Kathodenbeschichtung der vorliegenden Erfindung zu adhärieren. Der Nickelschaum (Dicke 200 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter, erhalten von Inco, Kanada) wurde anfänglich entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1. Die Tinte B wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und auf den Schaum aufgebracht, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,048 Gramm zu erzielen. Der beschichtete Schaum wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Zum Vergleich wurde auch eine Tantalfolie (Dicke 25 μm, Oberflächenbereich 7,0 Quadratzentimeter) entfettet und gereinigt, wie Beispiel 1, und dann mit der Tinte B versehen, um ein Gesamtbeschichtungsgewicht von 0,048 Gramm zu erzielen. Die beschichtete Tantalfolie wurde dann bei 1.150°C bei einem Druck von weniger als 50 Millitorr während 15 Minuten gesintert. Kratzen mit einem Laborspatel wurde angewandt, um die Adhäsion zu bewerten. Die NbO₂-Beschichtung schien an der Tantalfolie und an dem Nickelschaum in vergleichbarer Weise zu haften.
BEISPIEL 12
Ein Nickelschaum (Dicke 1,6 mm, Oberflächenbereich 2,0 Quadratzentimeter, erhalten von Inco, Kanada) wurde bereitgestellt. Die Dicke des Schaums wurde durch Kaltwalzen auf 200 μm verringert. Die Tinten A und B wurden dann hergestellt, wie untenstehend in Tabelle 9 dargelegt. Tabelle 9: Tinten-Konfiguration

Tinte A Tinte B

NbO₂ (g) 3,52 4,4

Aktivkohle (g) 0,88 0,0

Isopropylalkohol (ml) 12,0 12,0
Tinte B wurde auf den Nickelschaum durch Tauchbeschichten aufgebracht und bei 120°C 15 Minuten lang getrocknet. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden zweimal wiederholt, so dass die Gesamtbeladung der ersten Schicht 0,0765 Gramm betrug. Der Nickelschaum wurde dann in Tinte A getaucht und bei 120°C 15 Minuten lang getrocknet. Die Beschichtungs- und Trocknungsschritte wurden dreimal wiederholt, so dass die Gesamtbeladung der zweiten Schicht 0,0125 Gramm betrug. Schließlich wurde die dritte Schicht unter Verwendung von Tinte B in der oben beschriebenen Weise gebildet. Diese Schritte wurden dreimal wiederholt, sodass die Gesamtbeladung der dritten Schicht 0,0049 Gramm betrug. Der beschichtete Nickelschaum wurde dann bei 1.200°C bei einem Druck von 50 Millitorr 15 Minuten lang gesintert. Danach wurde die Kathode in einem Drei-Elektroden-System gemessen, um die Kathodenkapazität unter Verwendung des "Cyclischen Voltammetrie"-Verfahrens zu messen. Die Gegenelektrode war ein Platin-Maschenwerk von 5,0 cm², die Referenzelektrode war eine gesättigte Kalomel-Elektrode (SCE), und das Kathodenpotential wurde zwischen –0,5 V geg. SCE und 0,5 V geg. SCE bei einer Geschwindigkeit von 25 mV/s abgetastet. Die gemessene Kathodenkapazität war 204 mF. Die spezifische Kapazität der Aktivkohle betrug etwa 81,6 F/g und wurde berechnet durch Dividieren der gemessenen Kathodenkapazität durch das Gewicht der Aktivkohle, die in der Kathode vorhanden war.
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ausgeführt werden, oh ne vom Sinngehalt 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 ein Substrat und eine Beschichtung, die über dem Substrat liegt, wobei die Beschichtung kohlenstoffhaltige Teilchen und anorganische Teilchen umfasst, wobei die anorganischen Teilchen an die kohlenstoffhaltigen Teilchen und an das Substrat sintergebunden sind; und einen Elektrolyt, welcher zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen Aktivkohle enthalten.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen einen spezifischen Oberflächenbereich von mindestens etwa 200 Quadratmeter pro Gramm aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen einen spezifischen Oberflächenbereich von mindestens etwa 1.500 Quadratmeter pro Gramm aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen eine mittlere Größe von etwa 5 bis etwa 20 Mikrometer aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen porös sind.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Teilchen eine Resistivität von weniger als etwa 1 × 10⁵ Ohm-cm bei etwa 20°C aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Teilchen ein Niobiumoxid enthalten, das ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 2,5 aufweist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 8, wobei das Niobiumoxid ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 1,5 aufweist
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 8, wobei das Niobiumoxid aus der Gruppe gewählt wird, die aus Nb_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ besteht.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 8, wobei das Niobiumoxid ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: 0,5 ± 0,2 aufweist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 8, wobei das Niobiumoxid NbO₂ ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Teilchen Tantal enthalten.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Teilchen eine mittlere Größe von weniger als etwa 20 Mikrometer aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Teilchen eine mittlere Größe von weniger als etwa 5 Mikrometer aufweisen.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der mittleren Teilchengröße der kohlenstoffhaltigen Teilchen zur mittleren Teilchengröße der anorganischen Teilchen etwa 1,5:1 bis etwa 50:1 ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der mittleren Teilchengröße der kohlenstoffhaltigen Teilchen zur mittleren Teilchengröße der anorganischen Teilchen etwa 4:1 bis etwa 15:1 ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsverhältnis der anorganischen Teilchen zu den kohlenstoffhaltigen Teilchen in der Beschichtung etwa 0,5:1 bis etwa 50:1 ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine einzelne Schicht enthält.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung zwei oder mehr Schichten enthält.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 20, wobei eine der Schichten vorwiegend anorganische Teilchen enthält und eine andere Schicht eine Mischung von anorganischen und kohlenstoffhaltigen Teilchen enthält.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen von den anorganischen Teilchen umgeben sind.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Metallteilchen, welche über dem Substrat liegen.
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 26, wobei die Anode Niobiumoxid umfasst.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei der Kondensator einen ESR von weniger als etwa 200 Milliohm bei einer Frequenz von 120 Hertz aufweist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Kathodenkapazität zur Anodenkapazität mindestens etwa 50 ist.
Nass-Elektrolyt-Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Kathodenkapazität zur Anodenkapazität mindestens etwa 100 ist.
Verfahren zur Bildung eines Nass-Elektrolyt-Kondensators, wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Beschichtungsformulierung auf ein Substrat einer Kathode; Sintern der Beschichtungsformulierung zur Bildung einer Kathodenbeschichtung, wobei die Kathodenbeschichtung kohlenstoffhaltige Teilchen und anorganische Teilchen umfasst; und Anordnen eines Elektrolyts zwischen der Kathode und einer Anode.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die anorganischen Teilchen ein Niobiumoxid enthalten, das ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1: weniger als 2,5 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Niobiumoxid ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:0,5 ± 0,2 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Niobiumoxid NbO₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die anorganischen Teilchen Tantal enthalten.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Beschichtungsformulierung einen Feststoffgehalt von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Metallsubstrat in die Beschichtungsformulierung getaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Beschichtungsformulierung bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 2.400°C gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Beschichtungsformulierung bei einer Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1.200°C gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Beschichtungsformulierung bei einem Druck von weniger als etwa 200 Millitorr gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Beschichtungsformulierung bei einem Druck von weniger als etwa 50 Millitorr gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend das Vor-Beschichten des Substrats mit einer Vielzahl von Metallteilchen vor der Aufbringung der Beschichtungsformulierung.