DE1921610C3 - Elektrolytkondensator - Google Patents
ElektrolytkondensatorInfo
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- DE1921610C3 DE1921610C3 DE1921610A DE1921610A DE1921610C3 DE 1921610 C3 DE1921610 C3 DE 1921610C3 DE 1921610 A DE1921610 A DE 1921610A DE 1921610 A DE1921610 A DE 1921610A DE 1921610 C3 DE1921610 C3 DE 1921610C3
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- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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- H01G11/22—Electrodes
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- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Description
Die Erfindung betrifft einen Elektrolytkondensator ■lit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanipruches.
Bekannte Elektrolytkondensatoren dieser Art haben mit Elektrolyt getränkte poröse Elektroden aus
kohlenstoffhaltig·*™ Material mit der Porosität von
gebranntem Teerruß (US-PS 2800616) oder aus mit einem Bindemittel zusammengehaltenem Graphit
(US-PS 3 288614), die jedoch verhältnismäßig starr end daher brüchig sind und eine verhältnismäßig geringe
aktive Oberfläche aufweisen, so daß die Kapazität dieser bekannten Elektrolytkondensatoren ge-Hessen
an ihrer Größe verhältnismäßig gering ist. Daher haben diese bekannten Elektrolytkondensatofen
im Vergleich zu ihrer Kapazität verhältnismäßig große Abmessungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegen mechanische Beanspruchung stabilen und in
bezug auf seine Größe eine größere Kapazität als bisher erreichbar aufweisenden Elektrolytkondensator
Iu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden des Elektrolytkondensators
tus einer aus Aktivkohle mit einer Oberfläche im Bereich von 100 bis 2000 m2/g und dem Elektrolyten
gebildeten Paste bestehen. Durch die Verwendung »on Aktivkohle großer Oberfläche ergibt sich pro Volumeneinheit
eine wesentliche Steigerung der brauchbaren Kapazität, die gegenüber Elektroden aus Ruß
das Fünfzehn- bis Zwanzigfache beträgt. Die aus Aktivkohle
und Elektrolyt gebildete Paste wird aufgrund des die Elektroden formenden Druckes zusammengehalten,
wobei die Elektroden flexibel und sehr dünn •ind, ohne daß die Gefahr eines Brechens oder Reifens
besteht. Insbesondere ist kein Bindemittel erforderlich, welches die Öffnungen zwischen den einzelnen
Partikeln der Aktivkohle verstopfen oder verschließen könnte, Vielmehr sind diese Öffnungen
mit Elektrolyt gefüllt, so daß sich ein maximaler Kontakt zwischen Elektrolyt und Aktivkohle ergibt. Freier
Elektrolyt ist im Kondensator nicht vorhanden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Oberfläche der Aktivkohle im Bereich von 500 bis 1500 nr/g
liegt.
Die die aus einer Paste gebildeten Elektroden trennende, mit Elektrolyt getränkte poröse Trennschicht
kann ein Netzmittel enthalten, welches das Tränken der Trennschicht mit Elektrolyt erleichtert.
Gemäß einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators ist die Seitenwand
seines Gehäuses durch einen flexiblen Gfhäusering gebildet, der der äußeren Form der Elektroden angepaßt
diese umschließt. Der Kondensator ist daher insgesamt flexibel und kann wesentlich kleiner als bekannte
Elektrolytkondensatoren gebaut werden, ohne daß die Gefahr von Brüchen oder sonstigen Beschädigungen
besteht. So kann man die Elektroden in Form eines sehr dünnen Filmes auf eine Unterlage aufbringen,
beispielsweise auf die Unterlage aufsprühen oder aufwalzen. Da der elektrische Widerstand einer Elektrode
deren Dicke direkt proportional ist, lißt sich auf diese Weise der elektrische Widerstand und dementsprechend
die Wiederausgleichsladung bei Unterbrechung des Entladungsstrornes senken.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektrolytkondensators dargestellt,
und zwar zeigt
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht der Teile einer Ausführungsform des Elektrolytkondensators in auseinandergezogener
Darstellung,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des aus den in Fig. 1 dargestellten Teilen zusammengesetzten
Elektrolytkondensators in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab und
Fig. 3 einen Teilausschnitt einer zweiten Ausführungsform des Elektrolytkondensators in nochmals
vergrößertem Maßstab.
Fig. 1 und 2 zeigen einen einzelligen Elektrolytkondensator,
der zwei aus mehreren Teilen zusammengesetzte Elektrodensätze 10 und 11 aufweist. Jeder
dieser Elektrodensätze 10 und 11 besteht aus einer elektrisch leitenden und ionisch ; filierenden, d. h.
eine Ionenwanderung verhindernden Scheibe 12, die beispielsweise aus Kohlenstoff, Blei, Eisen, Nickel,
Tantal oder jedem anderen wasserundurchlässigen leitenden Material bestehen kann. Die Scheibe 12 ist
dadurch gekennzeichnet, daß sie elektrisch leitend und gegenüber el m verwendeten Elektrolyten bei
dem angelegten Potential chemisch inert ist. Hauptsächlich hat sie die Funktion eines Stromkollektors
und eines Isolators zwischen mehreren gleichen Zellen gegen Ionenwanderung. Wenn die Scheibe 12 durch
den Elektrolyten angegriffen werden kann oder nicht vollständig wasserdicht ist, könnte der Elektrolyt
durch sie hindurchsickern und Korrosion bei den benachbarten Zellen hervorrufen. Um diesen Nachteil
zu verringern oder ganz zu vermeiden, könnte in diesem Falle die Scheibe 12 mit einem Überzug aus Edelmetall
oder einer Substanz wie kolloidalem Graphit in einem Losungsmittel, wie Alkohol versehen werden.
Ein solcher Überzug kann auch vorgesehen werden, um Restströme um einen Faktor von mehr als
10 zu verringern.
An die Scheibe 12 ist ein Gehäusering 14 in beliebiger
Weise befestigt, beispielsweise angeklebt. Dieser Gehäusering 14 nimmt eine Elektrode 13 auf, die
nicht aus einer starren Masse besteht, sondern bis zu einem gewissen Grade flexibel ist. Der Gehäusering
14 dient daher hauptsächlich dazu, die Elektrode 13 zu umschließen und zu verhindern, daß das Material
der Elektrode aus dem Kondensator herauskriechen oder sonstwie herauslaufen kann. Der Gehäusering
14 besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Material, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist.
Das Material sollte jedoch flexibel sein, um Ausdehnungs-und Zusammenziehbewegungen der Elektrode
13 folgen zu können. Es ist aber auch möglich, die Elektrode 13 in anderer Weise mit einem Gehäuse
zu versehen.
Zwischen den beiden Elektrodensätzen 10 und 11 ist eine Trennscheibe 15 angeordnet, die aus hochgradig
porösem Material besteht und als elektrischer Isolator zwischen den beiden Elektroden dient, jedoch
einen freien Ionenstrom der im Elektrolyten befindlichen Ionen ermöglicht. Die Poren der Trennscheibe
15 müssen klein genug sein, um zu verhindern, daß das Material der einander gegenüberliegenden Elektroden
13 in Kontakt miteinander kommt, weil hierdurch der Kondensator kurzgeschlossen würde und
die auf den beiden Elektroden angesammelte Ladung schnell abgebaut wird. Die Trennscheibe 15 kann jedoch
auch aus nichtporösem ionenleitfähigen Material, wie die Ionenaustauschmembranen bestehen.
Von den zahlreichen für derartige Membranen bekannten Ionenaustauschmaterialien ist Polyzirkonphosphat
von besonderer Bedeutung. Auch kann jedes bekannte Batterietrennelement verwendet werden.
Dabei wurden Materialien, wie poröses Polyvinylchlorid, Watman-GFA-Glasfilterpapier, Zelluloseacetat,
gemischte Zellulose-Ester und Glasfasergewebe untersucht und festgestellt, daß diese
Materialien brauchbar sind.
Vor Gebrauch wird die Trennscheibe 15 mit dem Elektrolyten bis zur Sättigung getränkt. Dies kann dadurch
erfolgen, daß man 15 Minuten oder weniger r> lange die Trennscheibe sich mit Elektrolyt vollsaugen
läßt. Ein Mittel zur Verringerung der Oberflächenspannung, wie die von der Firma Kodak gelieferte
Photo-Flo-Lösung kann dem Elektrolyten beigegeben werden, um das Benetzen und Vollsaugen der Trennscheibe
15 z.j erleichtern. Derartige Mittel fördern auch das Benetzen des Kohlenstoffmaterials. Die
Photo-Flo-Lösung scheint nur bei neutralen Elektrolyten wirksam zu sein.
Die Elektrode 13 besteht aus aktivierten Kohlenstoff- oder Kohlepartikeln und einem von denselben
zusammengehaltenen Elektrolyten. Die Aktivierung des Kohlenstoffes bzw. der Kohle ist ein Verfahren,
mit dem die Absorptionseigenschaften eines natürlichen kohlenstoffhaltigen Materials sehr verbessert ίο
werden können und mit dem die Oberfläche des Materials
sehr zu vergrößern ist. Da das elektrische Speichervermögjn eines Kondensators von der Größe seiner
Elektrodenoberflächen abhängt, kann das Speichervermögen bzw. die Kapazität des Kondensators v,
durch eine Verzögerung der Elektrodenoberfläche erreicht werden, beispielsweise durch die genannte
Aktivierung.
Aktivierter Kohlenstoff bzw. aktivierte Kohle, welche zum Herstellen der aus einer pastenartigen Koh- mi
lenstoffmasse bestehenden Elektroden verwendet werden, besitzen eine Oberfläche in der Größenordnung
von 100 bis 2000 mVg und vorzugsweise in der Größenordnung von 500 bis 1500 mvg, gemessen
nach dem BET-Verfahren. Die Oberfläche liegt großtenteils
nach innen und kann durch zahlreiche Aktivierungsverfahren erzielt werden, von denen einige
nachstehend besprochen herden. Im allgemeinen enthält Aktivkohle bzw. aktivierter Kohlenstoff mehr als
80% Kohlenstoff, aber auch Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und anorganische Salze, die bei
Verbrennung eine Asche bilden. Es ist notwendig, daß die Poren im aktivierten Kohlenstoffmaterial groß genug
sind, um ein Eindringen des Elektrolyten zu ermöglichen.
Der erste Schritt zum Herstellen von Aktivkohle besteht darin, daß man das Rohmaterial verkokt oder
verschwelen läßt, was im allgemeinen in Abwesenheit von Luft unterhalb 600° C durchgeführt wird. Praktisch
jede kohlenstoffhaltige Substanz kann verkokt bzw. verschwelt werden. Nach dem Verschweien des
Ausgangsmaterials erfolgt als zweiter Schritt die Aktivierung. Das meist angewandte Verfahren zum Erhöhen
der Aktivität von verschweltem bzw. verkoktem Material besteht in einer gesteuerten Oxydation einer
Charge mit Hilfe geeigneter oxydierender Gase bei erhöhten Temperaturen. Die meisten heutzutage
üblichen Verfahren umfassen eine Aktivierung mit Dampf oder Kohlendioxyd zwischer °00 und 1000c C
oder eine Luftoxydation zwischen i'}Q und 61JO0 C.
Andererseits können aber auch Gase wie Chlorgas, Schwefeldioxyd und Phosphor verwendet werden. Die
für die Aktivierung benötigte Zeit schwankt zwischen 30 Minuten bis 24 Stunden, was von den Oxydationsbedingungen und der gewünschten Qualität der Aktivkohle
abhängt. Auch können Verzögerungsmittel oder Beschleunigungsmittel mit der Kohle vermischt
werden, um die erhöhte Aktivität zu erzeugen.
Andere Aktivierungsverfahren sind die Aktivierung mit Metall-Chloriden und die elektrochemische
Aktivierung. Die letztere ist ein Verfahren, mit dem die Kapazität einer Elektrode durch elektrochemische
Arbeitszyklen bzw. Schwingungen verbessert wird. Beispielsweise zeigte ein Kondensator mit zwei aus
fester Kohle bestehenden Elektroden eine Erhöhung der Kapazität von 145,5 Farad auf 154,5 Farad nach
3000 Schwingungen bzw. Arbeitszyklen.
Ein anderes allgemeines Verfahren zum Aktivieren ist das sogenannte Dolomitverfahren. Dabei werden
Subf'anzen wie Dolomit. Sulfate und Phosphorsäure mit der Kohle bzw. dem Kohlenstoff vermischt. Bei
der Aktivierung gibt das Material kontinuierlich in gleichförmiger Verteilung oxydierende Gase an die
Kohlenstoffoberfläche ab.
Ein Teil der Aktivkohle wird aus hartem und dichtem Material hergestellt. Dieses Material wird gewöhnlich
verschwelt bzw. verkokt, dann auf die gewünschte Partikelgröße zerkleinert und schließlich
direkt aktiviert, wodurch harte und dichte Kohlekörper entstehen. In anderen Fällen ist es vorteilhaft.
Holzkohle, Steinkohle oder Koks zu einem Pulver zu vermählen, dasselbe in Briketts oder Pellets mit Teer
oder Pech als Bindemittel zu verformen, dieselben auf die gewünschte Korngröße zu zerkleinern diese auf
500 bis 700" C zu erhitzen und dann mit Dampf oder Rauchgas bei 850 bis 950° C zu aktivieren. Dieses
Verfahren liefert Partikel mit vorbestimmter Struktur, die leichter zu aktn eren sind, weil sie mehr Eingangskanäle oder Makroporen besitzen, in welche die oxydierenden
Gase eintreten und aus welchen die Reaktionsprodukte aus dem Inneren der Partikel austreten
können.
Zum Herstellen von Elektroden aus pastertartiger Kohlenstoffmasse wli'd Aktivkohle in Form von Pulver
oder feinen Partikeln mit einem Elektrolyten zu einem dicken Brei vermischt. Die Verwendung von
gröberen Kohlepartikeln sollte vermieden werden, weil die Spitzen oder Zacken größerer Partikel die
Trennscheibe oder Trennschicht zwischen den Elektroden durchdringen könnten, wodurch ein unmittelbarer
Kontakt der Kohle def einander gegenübefliegenden
Elektroden entstehen kann, der zu einem Kurzschluß führt. Wasser oder ein anderes Verdünnungsmittel
kann verwendet werden, um die Herstellung des Breis zu erleichtern. Nachdem der Brei fertiggestellt
ist und die Kohle und der Elektrolyt gut Ό miteinander vermischt sind, wird überschüssiges Verdünnungsmittel
durch übliche Verfahren entfernt, so daß eine hochviskose Paste zurückbleibt. Aus dieser
Paste werden pelletförmige Elektroden hergestellt, indem man etwas Paste unter den Stößel einer Presse
legt und einen vorbestimmten Druck auf diese Paste ausübt. Durch Anwendung des Druckes wird im allgemeinen
etwas Flüssigkeit aus der Paste entweichen.
Der ^!wl'tr'"*'1'» o/^nfo ono omem !locnTScii™ !sitf^kjgen
Medium, wie einer wäßrigen Lösung, einer Säure, einem Salz oder einer Lauge bestehen. Beispiele für
geeignete wäßrige Elektrolyten sind Ammoniumchlorid bzw. Salmiak, Natriumchlorid, Kalziumchlorid,
Kaliumchlorid, Kaliumcarbonat, Schwefelsäure, Borflußsäure, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid usw. In «
Fällen, in denen die Leitfähigkeit eines Elektrolyten seine Auswahl bestimmt, wurden 30% Schwefelsäure
und 32% Borflußsäure als besonders wünschenswert festgestellt.
Es können auch nichtwäßrige Elektrolyten verwendet werden. Hierfür geeignete Materialien sind Metallsalze
organischer und anorganischer Säuren, Ammoniumsalze und Vierstoff-Ammoniumsalze usw.
Geeignete Lösungsmittel sind Nitrile wie Acetonitril, Propionitril, Schwefeloxyde wie Dimethyl-, Diäthyl-,
Äthyl-Methyl- und Benzylmethyl-Schwefeloxyde bzw. -Sulfoxyde, Amide wie Dimethylformamid, Pyrrolidone
wie N-Methylpyrrolidon und Carbonate wie Propylencarbonat. Das Buch von Raymond Jasinski
»High Energy Batteries« und Veröffentlichungen in »Proceedings of Nineteenth and Twentieth Annual
Power Sources Conference« geben weitere geeignete nichtwäßrige Elektrolyte bzw. deren Ausgangsmaterialien
an.
Der Elektrolyterfüllt in den Elektroden gemäß der Erfindung drei Aufgaben. Zunächst dient er zum
Auslösen und Verbessern der Ionenleitfähigkeit. Weiterhin dient er als Quelle für Ionen und schließlich
noch als Bindemittel für die Kohlepartikel. Es sollte genügend Elektrolyt verwendet werden, um diese drei
Funktionen erfüllen zu können. Es kann auch ein besonderes Bindemittel verwendet werden, um die Bindungsfunktion
des Elektrolyten zu übernehmen, jedoch würde ein solches Bindemittel ein Widerstandselement
in den Elektroden darstellen, das unerwünscht ist.
Der zum Formen der Elektroden angewendete Druck hängt von vielen veränderlichen Faktoren wie
den Abmessungen der Elektrode, der Partikelgröße des kohlenstoffhaltigen Materials, dem verwendeten to
Elektrolyten usw. ab. Der Druck sollte nach oben durch einen Wert begrenzt sein, bei dem noch eine
Menge Elektrolyt in der Elektrode verbleibt, die ausreicht, um die drei obengenannten Funktionen zu erfüllen.
Versuche haben gezeigt, daß bei Drücken unter 6ί
etwa 7 bar die Strukturfestigkeit der peHeiförmigen
Elektroden unzureichend war. Die Pellets zeigten eine schuppenartige Struktur und zerbröckelten leicht. Bei
Formdrücken von etwa 170 bar besaßen die pelletartigen
Elektroden eine genügend feste Struktur. Ein Kondensator mit zwei bei einem Druck von etwa
280 bar geformten Elektroden besaß eine Kapazität von 4,32 Fäfäd und eifiefi Widerstand VOn nur
0,090 Ohm. Bei höheren Drücken geformte Elektroden besaßen eine höhere Kapazität und einen höheren
Widerstand, Ein unter einem Druck von 3150 bar geformte Elektroden aufweisender Kondensator besaß
eine Kapazität von 6,1 Farad und einen Widerstand vöri 0,120 Ohm. Elfi anderer Kondensator, def bei
einem Druck von 5600 bar hergestellte Elektroden enthielt, besaß eine Kapazität von 6,8 Farad und einen
Widerstand von 0,150 Ohm. Für die Praxis scheint es zweifelhaft zu sein, daß Formdrücke über 7000 bar
angewendet werden sollten.
Zwei derart hergestellte Elektroden wurden jeweils in einem Gehäusering 14 untergebracht, der an jeweils
of" »*' β C/»l-i
sehen diese beiden Teile wurde eine membranartige Trennscheibe 15 eingelegt, die mit dem Elektrolyt getränkt
war. Diese Kondensatorzelle wurde dann auf die untere Platte einer Plattenpresse gelegt. Die obere
Platte wurde dann auf die Zelle herabbewegt, bis eine Berührung mit der Oberfläche stattfand, woraufhin
ein konzentrischer Ring auf die Zelle aufgebracht wurde. Jetzt war der Kondensator durch die obere
Platte, lie untere Platte und den konzentrischen Ring
eingeschlossen. Dann wurde auf die Zelle ein Druck ausgeübt, der genügend groß war, um die Zelle zu
einem einheitlichen Teil fest zu verbinden. Es wurde gefunden, daß hierfür Drücke tn der Größenordnung
von 140 bar ausreichend sind.
Fig. 2 zeigt eine auf diese Weise aus den in Fig. 1 dargestellten Einzelteilen zusammengesetzte Kondensatorzelle,
die aus zwei Scheiben 12, zwei Elektroden 13 mit äußerem Gehäusering 14 und einer mittleren
Trennscheibe 15 zusammengesetzt ist und eine Baueinheit bildet.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsform eines Kondensators gemäß der Erfindung
dargestellt, wobei die aus pastenförmiger Kohlenstoffmasse bestehenden Elektroden 13 langgestreckte
Körper mit dreieckförmigem Querschnitt sind. Zwischen diesen einzelnen Elektroden sind in
zickzackförmiger Anordnung membranartige Trennbahnen oder Trennscheiben 15 angeordnet, die jeweils
an einer der Scheiben 12 enden, welche die äußeren Begrenzungen dieses Kondensators darstellen.
Es wurde ein Brei hergestellt, indem man 2,6 g 30%iger Schwefelsäure (H,SO4), 15,0 g Wasser und
2,0 g Aktivkohle miteinanaer.yerrnischt, wobei sich folgende Eigenschaften ergäben:
Partikelgröße < 0,15 mm | 91-99% |
< 0,074 mm | 70-90% |
< 0,044 mm | 50-75% |
Dichte (g/cm3) | 0,24-0,27 |
Oberfläche BET (mVg) | 700-950 |
Porenvolumen (cm3/g) | 0,8 |
Jodwert | 90-96 |
Wasserlösliche Stoffe | 3% max. |
Gesamter Aschegehalt | 6% max. |
Feuchtigkeit | 3% max. in |
Typische Porengrößen-Verteilung (absoluteZahlen):
< 20 nm 512
921 610
115
77
36
9,0
7,5
9,0
7,5
1.9
5,4
20- 30 nm
30- 40 nm
40- 50 nm
50- 60 nm
60- 80 nm
80-100 nm
100-120 nm
100-120 nm
Durch Trocknen des Breies bis 15,0 g Wasser enticfnt
waren, erhielt man eine Paste. Von dieser Paste wurden 0,25 g abgewogen und in eine Form eingegeben,
Woraufhin man diese Form unter einen Preßstempel brachte. Dann wurde die Kohlenstoffpaste
unler einem Druck von 1400 bar gepreßt, wobei durch den Preßvorgang zahlreiche Tropfen des Elektrolyten
aus der Paste herausgedrückt wurden.
Der Gehäusering wurde aus einer Platte aus Polyäthylen-Polypropylen-Elastomer
ausgestanzt und mü Hilfe eines Acrylharzklebstoffes auf eine kreisförmige
Folie oder Scheibe aus flexiblem Graphitmaterial aufgeklebt, hr war (),jy6 mm dick, besaß einen Innendurchmesser
von 1,98 mm und einen Außendurchmesser von 2,54 mm. Die Scheibe diente als elektrischer Leiter und Ionenisolator. Sie besaß eine
Dicke von 0,127mm und einen Durchmesser von 25,4 mm.
Die pelletartige Elektrode wurde in die von der Scheibe und dem Gehäusering gebildeten Vertiefung
eingesetzt. Die möglicherweise herausragenden Teile der Elektrode wurden abgeschabt, so daß die Oberseite
der Elektrode mit dem Gehäusering abschloß. Es wurden zwei derartige Elektrodenanordnungen
hergestellt. Eine Membrane aus regenerierter Zellulose wurde 15 Minuten lang mit 30%iger H2SO4 getränkt
und dann zwischen die beiden Elektrodenanordnungen gelegt, wodurch eine Kondensatorzelle
entstand. Die Membrane diente zur elektrischen Isolierung der einander gegenüberliegenden Elektroden.
Sie war 0,0254 mm dick und besaß einen Durchmesser von 25,4 mm.
Die so hergestellte Kondensatorzelle wurde dann unter einen Pressenstempel gelegt und mit einem
Druck von 140 bar gepreßt, der ausreicht, um die ""T1PiIp Hpr 7f»IIp 711 />in/*r lfrvrnnaW*»« ^tnliAtf ^/ti yöt-l···^-
den. Nachdem man elektrische Anschlüsse an die oberen und unteren Platten angelegt hatte, konnte
man die folgenden Werte bei Aufladung auf 1 Volt Spannung ermitteln:
Kapazität 6,0 F
Widerstand 0,1 Ohm
Reststrom 3,5 mA
Kohlenstoffmaterial-Volumen 0,262 cm3
Die Kondensatorzelle wurde dann verpackt, indem man sie in ein Rohr aus Phenolkunstharz mit einem
Innendurchmesser von 25,4 mm steckte. Da es schwierig ist, eine Drahtleitung an der Scheibe zu befestigen,
wurde ein Kupfersieb mit einer Sieböffnung von etwa 0,4 mm mit einer nach außen verlaufenden
angelöteten Kupferdrahtleitung an beide äußeren Scheiben mit Hilfe eines Silberepoxyklebstoffes angeklebt.
Dann wurde an beiden Enden der Kondensatorzelle eine 1,587 mm dicke Isolierscheibe aus PoIymethylmethacrylat
mit einem Außendurchmesser von 25,4 mm, die eine mittlere öffnung besaß, über den
Anschlußdraht geschoben und gegen das jeweilige Kupferdrahtsieb gepreßt. Dann wurden beide Enden
der Kondensatorzelle mit einem Epoxykunstharz beschichtet,
und die Kondensatorzelle wurde somit endgültig eingekapselt. Die Isolierscheiben dienten dazu,
der Zelle eine gewisse Steifigkeit zu verleihen, und
Verhinderten andererseits, daß sich die Elektroden ausbeulten.
Es ist möglich, den Restström von 3,5 m A auf einen ί Wert von 0,1 mA oder noch geringer zu reduzieren,
wenn man die Isolierscheiben mit einem Edelmetall oder einem kolloialen Graphit in einem Lösungsmittel
wie Alkohol beschichtet. Hierdurch werden die Isolierscheiben für den Elektrölyferirrioch undurchlässiger.
Es wurde eine Kondensatorzelle, wie im Beispiel I beschrieben, hergestellt mit der Ausnahme, daß bei
η der Herstellung der kohlenstoffhaltigen Paste der 30%ige HjSOj-EIektrolyt weggelassen wurde. Nach
dem Pressen der pelletförmigen Elektrode verblieb in derselben etwas Wasser. Das Material der Elektrode
wurde so zusammengehalten. Wenn man diese Kondensatorzelle auf ein Potential von 1 Volt auflud,
erhielt man folgende Werte:
Kapazität 2,3 F
Widerstand 0,85 Ohm
Reststrom 3,5 mA
Diese Werte zeigen die Notwendigkeit, einen Elektrolyten in den Elektroden vorzusehen. Wie die vorstehenden
Werte zeigen, sind ohne einen Elektrolyten geformte Elektroden wegen des hohen Widerstandes
nicht akzeptabel. Bei einem anderen Versuch gemäß Beispiel IlbetrugderWiderstandzunächstO^oOhm,
stieg jedoch nach 16 Stunden auf 0,65 Ohm an. Der Anstieg des Widerstandes weist auf die Tatsache hin,
daß der Elektrolyt langsam aus der Trennschicht in das kohlenstoffhaltige Material diffundierve.
j-, Da nunmehr weniger Elektrolyt in der Trennschicht
vorhanden war, nahm die Leitfähigkeit ab und der Widerstand zu.
Es wurde eine Kondensatorzelle ähnlich wie in Beispiel
I hergestellt, mit der Ausnahme, daß als Trennschicht eine trockene Membrane verwendet wurde.
Die Z°!!° v/urds
"f ei" Potential
den, und man erhielt die folgende Werte:
Messung A Messung B
Kapazität
Widerstand
Reststrom
4,8 F
0,175 Ohm
3,5 mA
3,5 mA
5,2 F
0,250 Ohm 3,5 mA
Obwohl die Kapazität etwas geringer und der innere Widerstand bedeutend höher war, ist kein Grund
vorhanden, warum Kondensatoren mit trockenen Trennmembranen nicht hergestellt werden können
55' oder sollten. Es scheint eine genügende Menge Elektrolyt
in den Elektroden vorhanden zu sein, um die membranartige Trennschicht zu tränken. Es ist wünschenswert,
den Elektrolyt in einem geringen Überschuß in den aus kohlenstoffhaltiger Paste bestehenden
Elektroden vorzusehen, wenn der Kondensator mit einer trockenen Membrane als Trennschicht hergestellt
wird.
BeispieirV
Die folgenden Werte erhielt man mit einer gemäß Beispiel I hergestellten Kondensatorzelle, die jedoch
auf ein Potential von 1,5 Volt anstatt 1 Volt aufgeladen wurde:
Kapazität 9,28 F
Widerstand 0,145 Ohm
Reststrom 20 mA
Wie erwartet, erhielt man bei der höheren Spannung eine größere Kapazität, jedoch stieg der Rest- ϊ
strom unerwünscht an.
Um höhere Spannungen pro Kondensatorzelle zu erzielen, ist es notwendig, nichtwäßrige Elektrolyte in
wegen ihrer höheren Zersetzungsspannung zu verwenden. Es wurde ein einzelliger Kondensator, wie
in Beispiel I beschrieben, hergestellt, und zwar unter Verwendungeines GFA-Filterpapieres und eines Gemisches
aus 40 bis 60 Vol.% gesättigtem Tetraäthylammonium-p-Toluol-SuIfonat
in Dimethylformamid. Dann erhielt man die folgenden Werte:
Spannung 2.5 V
Spannung 2.5 V
Kapazität 2,5 F
Widerstand 0,44 Uhm
Es wurde festgestellt, daß Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Anwendung geringer
Spannungen beschränkt sind. Dies scheint deshalb der Fall zu sein, weil die Elektrolyte wäßrige Lösungen
sind und die Zersetzungsspannung von Wasser unter 2 Volt liegt. Höhere Spannungen pro Kondensatorzelle
sind zu erreichen, wenn man nichtwäßrige Elektrolyten verwendet, was Beispiel V zeigt. Die
Grundsätze der vorliegenden Erfindung sind also auch auf Kondensatoren anwendbar, die hohe Spannungen jo
benötigen. Dies erreicht man, wenn man eine Vielzahl der beschriebenen Kondensatorzellen in Reihe geschaltet
aneinandersteckt bzw. miteinander verbindet.
Beispiel VI ,..
F.s wurde ein Kondensator hergestellt, der aus sechs
einzelnen Zellen zusammengesetzt war. Jede Zelle war, wie in Beispiel I beschrieben, hergestellt, mit der
Ausnahme, daß an beide Seiten der fünf zwischen jeweils zwei Zellen liegenden Trennscheiben je ein Ge- ^o
häusering angeklebt war, während nur die an den beiden Enden befindlichen Isolierscheiben auf ihrer nach
überstand während einer Zeitdauer von drei Wochen mehr als 500 Ladu.'gswechsel.
Um zu zeigen, daß die aus Kohlenstoffpaste bestehenden Elektroden eine.n annehmbaren Gütefaktor
(ZV/E2) erzielen können, wurde ein dreizeiliger Kondensator mit Elektroden aus Kohlenstoffpaste in der
vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut. Die kohlenstoffhaltige Paste bestand zu 2,5 Gewichtsteilen
aus 30%iger H2SO4 und zu einem Gewichtsteil aus
Aktivkohle. Die Elektroden wurden mit einem Druck von 422 bar vorgepreßt. Die Zellendes Kondensators
wurden in Serie geschaltet und dann einem Druck von 90 bar unterworfen. Dann erhielt man folgende
Werte:
kapazität 3.1 F
Widerstand 0,098 Ohm
Spannung 3 V
keststrom 4,4 mA
ZV/E2-Faktor 0,0013
Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten, bei denen ein schnell aufzuladender Kondensator benötigt wird.
Die Kondensatoren gemäß der Erfindung mit aus einem pastenartigen Kohlenstoffmaterial bestehenden
Elektroden können in weniger als 5 Sekunden aufgeladen werden. Diese Aufladezeit kann noch durch
weitere Verringerung des Widerstandes weiter verringert werden.
Obwohl bei den bekannten Kondensatoren der Blindwiderstand mit der Frequenz steigt, ist dies bei
Kondensatoren mit aus pastenförmigem Material bestehenden Elektroden nicht der Fall. Untersuchungen
haben gezeigt, daß im Frequenzbereich von 500 bis 50000 Hertz der Blindwiderstand im wesentlichen
von der Frequenz unabhängig ist, während im Bereich von 0,5 bis 500 Hertz der Blindwiderstand mit der
Frequenz ansteigt. Bei Frequenzen über 50000 Hertz hängt der Blindwiderstand wenigstens zum Teil davon
ab, wie der Kondensator verpackt und gekapselt ist. Wegen der praktischen Frequenzunabhängigkeit des
Blindwiderstandes der hier beschriebenen Kon Jensa- ts\r£*r* tot oc r»*r>V»f «i/"
Dieser zusammengesetzte Kondensator zeigte folgende Werte:
Kapazität 1 F
Widerstand 0,6 Ohm
Reststrom 1 mA
Kohlenstoffmaterial-Volumen 1,72 cm'
Spannung 6 V
Der sechszellige Kondensator wurde in derselben Weise wie in Beispiel I beschrieben gekapselt. Er
tor mit geringerer Kapazität parallel zu schalten, um einen Nebenschluß des ersten Kondensators zu erzielen
und einen Anstieg des Blindwiderstandes mit zunehmenden Frequenzen zu vermeiden.
Die Kapazität der hier beschriebenen Kondensatoren ist temperaturabhängig. Ein sechszeiliger Kondensator,
der zunächst eine Kapazität von 1,75 Farad bei 20° C zeigte, besaß eine Kapazität von nur noch
1,05 Farad bei -20° C.
Hierzu TBIaIt Zeichnungen
Claims (3)
1. Elektrolytkondensator mit wenigstens zwei in einem Gehäuse angeordneten porösen Kohleelektroden
großer Oberfläche, einem zwischen ihnen angeordneten Trennelement und einem die Elektroden sowie das Trennelement imprägnierenden
Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13) aus einer aus Aktivkohle
mit einer Oberfläche im Bereich von 100 bis 2000 nr/g und dem Elektrolyten gebildeten
Paste bestehen.
2. Kondensator nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der Aktivkohle im Bereich von 500 bis 1500 m2/g liegt.
3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand seines Gehäuses
durch einen flexiblen Gehäusering (14) gebildet ist, der der äußeren Form der Elektroden (13)
angepaßt diese umschließt.
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