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Joint-Venture von Jianghai und Elna

Polymer-Alu-Elkos mit 200 V Spannungsfestigkeit

17. Oktober 2014, 10:41 Uhr | Von Dr. Arne Albertsen

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Charakterliche Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von transparenten Elektrodenmaterial

Stabilere Polymere auf Basis von Pyrrol, Anilin und Thiophen kommen in diversen technischen Anwendungen zum Einsatz, wobei sich eine Verbindung aus Poly-3,4-ethylendioxythiophen und Polystyrolsulfonsäure als besonders praxistauglich erwies [4].

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Diese Verbindung wird kurz als PEDOT:PSS bezeichnet, und sie vereint auf sich Eigenschaften wie hohe Leitfähigkeit, sehr gute Durchsichtigkeit im sichtbaren optischen Bereich, thermische Stabilität, mechanische Flexibilität und vor allem sehr gute Löslichkeit in Wasser. Diese charakteristischen Eigenschaften ermöglichen dem leitfähigen Polymer den Einsatz als transparentes Elektrodenmaterial in weiteren (opto-)elektronischen Bauelementen wie Solarzellen, Leuchtdioden, Flüssigkristallanzeigen oder Touch Panel Displays [6].

Die besondere Herausforderung beim Einsatz von PEDOT:PSS als Kathodenmaterial in einem Elektrolytkondensator besteht darin, es möglichst vollflächig auf die hoch aufgeraute Oberfläche der Anodenfolie aufzubringen (Bild 4).

Die Hersteller wenden dazu zwei alternative Verfahren an:

In-situ-Polymerisation
Imprägnierung mit einer vorgefertigten Polymer-Dispersion

Das ältere Verfahren der In-situ-Polymerisation hat jedoch einige Nachteile wie hoher Verbrauch des EDOT-Monomers, längere Fertigungsdauer durch notwendige Wiederholungen des Polymerisations-Prozessschrittes, Fehlstellenbildung auf dem Dielektrikum und Begrenzung der Durchbruch-Spannungsfestigkeit auf Werte kleiner 50 V (Bild 5). Zum Vergleich: Nasse Alu-Elkos erzielen Durchbruch-Spannungsfestigkeiten im Bereich bis zu 750 V [3].

Die höheren Kosten in Verbindung mit der eingeschränkten Spannungsfestigkeit des In-situ-Verfahrens motivierten umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung von elektrisch leitfähigen Polymerdispersionen. Inzwischen gibt es PEDOT:PSS-Dispersionen mit einer mittleren Partikelgröße von 30 nm und gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit im Bereich um 500 S/cm [5]. Die elektrische Leitfähigkeit kann unter Verwendung von Lösungsmittelgemischen und einer optimierten Temperaturführung jüngeren Ergebnissen zufolge Werte im Bereich von 1000 S/cm bis zu mehr als 3000 S/cm erreichen [6, 7].

Jianghai hat eine zum Patent angemeldete Rezeptur für derartige Polymer-Suspensionen entwickelt, die Spannungsfestigkeiten bis über 200 V bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit erlaubt.

Bild 6 zeigt den Herstellprozess von Polymer-Aluminium- Elektrolytkondensatoren. Die Formierung vor dem Imprägnieren ist erforderlich, da durch die Abwesenheit von flüssigem Elektrolyt eine Selbstheilung von Fehlstellen in der Dielektrikumsschicht nicht möglich ist. Die Fehlstellen im Dielektrikum entstehen zum Beispiel durch das Zuschneiden der Folien auf die benötigte Breite, die genieteten Verbindungen zwischen Folien und Anschlussfähnchen sowie durch das Wickeln.

Eigenschaften von Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Durch die hohe Eigenleitfähigkeit des festen Polymer-Elektrolytsystems zeichnen sich Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren im gesamten Betriebstemperaturbereich durch kleine Kapazitätsänderungen (Bild 7, linke Bildhälfte) aus und erreichen sehr niedrige, nahezu konstante ESR-Werte (Bild 7, rechte Bildhälfte). Die Elektronenleitung im Polymer sorgt zudem für hohe Stromtragfähigkeit bei minimaler Eigenerwärmung.

Da der feste Elektrolyt nicht verdunsten kann, begrenzen lediglich temperaturbedingte Materialveränderungen (und damit Änderungen der Leitfähigkeit) die Lebensdauer. Die Nennspannung darf ohne Einschränkungen im gesamten zulässigen Temperaturbereich angelegt werden. Im Falle einer lokalen Überhitzung durch einen dielektrischen Durchbruch an einer Fehlstelle im Aluminiumoxid verringert der Polymerfilm infolge der hohen Temperatur seine Leitfähigkeit und isoliert die Fehlstelle elektrisch, so dass man in diesem Zusammenhang auch von Selbstheilung spricht.

Fehlende Gasbildung und gutmütiges Überlastverhalten ohne nennenswerte Zünd- oder Brandneigung ergänzen die Reihe der Vorzüge dieser Kondensatortechnologie, deren Frequenzverhalten dem eines Folienkondensators ähnelt (Bild 8).