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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein metallisches Elektrodenmaterial
für elektrische
Komponenten, so wie Batterien und Kondensatoren, die in Kontakt
mit Elektrolyt verwendet werden, auf einen Kondensator, der aus
dem metallischen Elektrodenmaterial gebildet ist, und auf ein Verfahren
zum Herstellen des metallischen Elektrodenmaterials und dem Kondensator
aus diesem.
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Stand der Technik
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Zur
Zeit sind beispielsweise elektrische Doppelschicht-Kondensatoren
und Elektrolytkondensatoren als elektrische Komponenten erhältlich,
die in Kontakt mit Elektrolyt verwendet werden. Solche elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren
wurden verwendet für
Hochleistungskondensatoren, die bis zu etwa 3 V aufladbar sind,
und wurden verwendet als Backup-Stromquellen für Mikrocomputer, Speichervorrichtungen,
Timer und ähnliches.
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Typischerweise
umfasst ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator ein Paar polarisierbare
Elektroden oder Doppelschicht-Elektroden, die direkt über einen
isolierenden Separator zwischen ihnen angeordnet sind und in Elektrolyt
eingetaucht sind. Die Elektrode wird hergestellt durch das Auftragen
einer Aktivkohleschicht auf die Oberfläche eines metallischen Elektrodenmaterials,
das aus einem Ventilmetall gefertigt ist, und wird als ein mechanischer
Träger
und gleichzeitig als elektrischer Kollektor verwendet.
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Einige
Arten von elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren verwenden eine
auf organischem Lösemittel
basierende Elektrolytlösung
als Elektrolyt, so wie ein Tetraethylammonium-Salz, welches einem
organischen Lösemittel
hinzugefügt
wird, so wie Propylencarbonat. Beispiele von herkömmlichen
elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren, die ein auf organischem
Lösemittel
basierendes E lektrolyt verwenden, schließen einen Typ ein, bei dem
ein Paar elektrischer Doppelschicht-Elektroden in einem Behälter gewickelt
und eingeschlossen sind, und einen anderen Typ, bei dem ein Paar
Doppelschicht-Elektroden laminiert oder aufgeschichtet ist, wobei
beide Typen in dem
U.S. Patent
Nr. 5.150.283 offenbart wurden.
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In
dem Fall des gewickelten Typs, ist ein metallisches Elektrodenmaterial 1 aus
geätzter
Aluminiumfolie gebildet, die eine Dicke von 20 bis 50 μm aufweist,
wie in 7 gezeigt. Außerdem
ist eine Paste, die gebildet ist aus einer Pulvermischung aus Aktivkohlepartikeln,
einem gewünschten
Bindemittel und einem gewünschten
leitfähigen
Mittel auf die vorstehend genannte Metallfolie aufgetragen, um einen
Film zu bilden. Dieser Film, das heißt eine Aktivkohleschicht 30 (eine
polarisierbare Elektrode), die hauptsächlich aus Aktivkohlepartikeln
besteht, wird verwendet, um eine elektrische Doppelschicht-Elektrode 3 zu
bilden.
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Eine
Leitung 6 ist jeweils mit jedem der metallischen Elektrodenmaterialien 1 des
Paares der elektrischen Doppelschicht-Elektroden 3 und 3 verbunden.
Diese Elektroden 3 und 3 sind direkt mit einem
Separator 5 zwischen ihnen angeordnet und wie eine Spule
gewickelt. Die elektrischen Doppelschicht-Elektroden sind unter
Vakuum in nichtwässrigem
Elektrolyt eingetaucht, um die Aktivkohleschichten 30 und
die Separatoren 5 mit dem Elektrolyt zu imprägnieren,
dann in einem Aluminiumgehäuse 70 platziert,
und die Öffnung 7 des
Aluminiumgehäuses 70 wird
mit einer wasserdichten Dichtung 8 verschlossen. Das Elektrolyt
in dem elektrischen Doppelschicht-Kondensator hat beispielsweise
Polypropylencarbonat als ein organisches Lösemittel und ein Tetraethylammonium-Salz
als ein Elektrolyt verwendet.
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Außerdem sind
in einem elektrischen Doppelschicht-Kondensator in Form eines Knopfes,
der in den 9 und 10 schematisch
gezeigt ist, Aktivkohleschichten 30 jeweils mit scheibenförmigen Schichten 1 verbunden,
die aus einem Ventilmetallmaterial gebildet sind, um ein Paar Doppelschicht-Elektroden 3 zu
bilden. Das Paar Doppelschicht-Elektroden 3 ist direkt über einen
isolierenden Separator 5 zwischen ihnen angeordnet, und
in einem Metallbehälter
untergebracht, der zwei zusammenpassende Elemente umfasst. Die Ventilmetallmaterial-Schichten
der zwei Doppelschicht-Elektroden sind mit den inneren Oberflächenseiten
des Bodenelements 60 und dem Deckel-Element 61 des
Metallbehälters
verbunden. Sowohl die Boden- als auch die Deckelelemente sind miteinander
verbunden, um wasserdicht zu sein, durch die Verwendung einer isolierenden
Ringdichtung 69 an dem Umfangsabschnitt von diesen. Das
Innere des Kondensators ist mit nichtwässrigen Elektrolyt gefüllt, so
dass die Doppelschicht-Elektroden und die Aktivkohleschichten darin
genügend eingetaucht
sind. Das nichtwässrige
Elektrolyt ist eine Lösung
von Tetraethylammonium-Perchlorat, das in derselben Art und Weise
wie vorstehend beschrieben in Propylencarbonat hinzugefügt wird.
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Ein
Elektrolytkondensator ist als ein Kondensator bekannt, bei dem nichtwässriges
Elektrolyt verwendet wird. Bei der Anode des Kondensators ist ein
dielektrischer Film durch chemisches Behandeln der Ventilmetallfolie
gebildet. Bei der Kathode wird die Ventilmetallfolie verwendet,
so wie sie ist. Gewöhnlich
sind beide Elektroden direkt beieinander angeordnet, in einer Spule
gewickelt und in einem Behälter
hermetisch abgeschlossen, während
sie in Elektrolyt eingetaucht sind.
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In
dem Fall des herkömmlichen
elektrischen Doppelschicht-Kondensators weist die Ventilmetall-Schicht
oder -Folie, auf der eine polarisierbare Elektrode als ein Film
gebildet ist, einen natürlich
oxidierten Film auf, der spezifisch für das Ventilmetall ist, welches
eine Elektrodenstruktur darstellt, während die Folie gehandhabt
wird. Wenn diese Folie verwendet wird, um eine Elektrodenstruktur
zu bilden, wird häufig
ein dünner, isolierender,
oxidierter Film 4 an der Schnittstele zwischen der Aluminiumfolie 1 – die als
ein Ventilmetallmaterial verwendet wird – und der polarisierbare Elektrode 3 gebildet,
wie in 6 schematisch gezeigt wird.
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Außerdem schließt das vorstehend
genannte nichtwässrige
Elektrolyt typischerweise geringe Mengen von Wasser und Sauerstoff
auf. Aus diesem Grunde reagiert das Ventilmetallmaterial, das die
Elektrodenstruktur darstellt, während
der Verwendung des Kondensators mit dem Wassergehalt in dem Elektrolyt,
und die Oberfläche
des Metalls wird oxidiert. Wenn folglich der elektrische Doppelschicht-Kondensator, der
aus dieser Art von Metall gebildet ist, für ausgedehnte Zeitspannen verwendet
wird, steigt sein effektiver Reihenverlustwiderstand (ESR), das
heißt
der innere Widerstand des Kondensators, der als eine Stromquelle verwendet wird,
steigt graduell an und in einigen Fällen nimmt seine Kapazität ab.
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Dieses
Problem aufgrund der Oxidation des Metallabschnitts der Elektrode
ist auch in dem Fall des vorstehend genannten elektrischen Doppelschicht-Kondensators in der
Form eines Knopfes in derselben Art und Weise eingetreten.
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Außerdem ist
die Anode des Elektrolytkondensators, der nichtwässriges Elektrolyt verwendet,
mit einer dielektrischen Isolierschicht ausgestattet, die gebildet
wird durch die anodische Oxidation eines Ventilmetalls, so wie Aluminium.
Zusätzlich
ist seine Kathode, die in direktem Kontakt mit dem Elektrolyt steht,
auch aus dem Ventilmetall gebildet, so wie Aluminium. In diesem
Fall ist ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Metalls gebildet, das
für die
Kathode verwendet wird, aufgrund der Oxidation mit dem Wassergehalt
in dem Elektrolyt. Dieses verursacht ein Problem des Kondensators,
dessen innerer Widerstand ansteigt, wie das Problem, das vorstehend
beschrieben wurde.
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EP-A-0 449 145 offenbart
ein metallisches Elektrodenmaterial zur Verwendung in einer Elektrodenstruktur
in Kontakt mit einem organischen Lösemittel, worin die Elektrode
Folgendes umfasst: ein Ventilmetallmaterial (zum Beispiel Aluminium,
Tantal oder Titan) und Kohlenstoff in einer Oberfläche des
Ventilmetallmaterials, das durch Eintreiben, zum Beispiel durch
die Verwendung einer Walze, einer Dispersion von Kohlepartikeln
(zum Beispiel in einer wässrigen
Masse) in die Oberfläche
des Ventilmetallsubstrats gebildet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Folglich
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventilmetallmaterial
vorzustellen, das in der Lage ist, in Elektroden geformt zu werden,
die in Kontakt mit nichtwässrigem
Elektrolyt im Inneren eines Kondensators verwendet werden, und das
in der Lage ist, den inneren Widerstand des Kondensators zu verringern.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Herstellen eines Ventilmetallmaterials vorzustellen, das in
der Lage ist, in Elektroden geformt zu werden, die in Kontakt mit
nichtwässrigem
Elektrolyt verwendet werden, und das in der Lage ist, den inneren
Widerstand eines solchen Kondensators zu verringern, der vorstehend
beschrieben wurde.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kondensator
vorzustellen, der in der Lage ist, einen geringen inneren Widerstand
aufzuweisen, durch das Begrenzen der Veränderung des Widerstandes des
metallisches Elektrodenmaterials, das die Elektroden bildet, welche
in Kontakt mit nichtwässrigem Elektrolyt
verwendet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Herstellen eines Kondensators vorzustellen, der in der Lage
ist, einen geringen inneren Widerstand aufzuweisen, durch das Begrenzen der
Veränderung
des Widerstandes des metallischen Elektrodenmaterials, das die Elektroden
bildet, welche in Kontakt mit nichtwässrigem Elektrolyt verwendet
werden.
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Ein
metallisches Elektrodenmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung nach Anspruch 1 ist aus einem Ventilmetallmaterial gebildet,
das Kohlepartikel auf der Oberfläche
enthält
und wird verwendet, um Elektroden zu bilden. Die Kohlepartikel in
dem kohleenthaltenden Metallmaterial stellen einen direkten Kontakt
mit einem Leiter (einschließlich
Elektrolyt) sicher, um das metallisches Elektrodenmaterial mit dem
Leiter elektrisch zu verbinden.
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Genauer
gesagt umfasst das kohlehaltige Metall-Material ein Ventilmetallmaterial
und zahlreiche Kohlepartikel, die teilweise in der Oberfläche des
Ventilmetallmaterials eingebettet sind und von der Oberfläche des
Ventilmetallmaterials hervorstehen, um die Kohlepartikel von der
Oberfläche
freizulegen. In der vorliegenden Erfindung können die Kohlepartikel leicht
hervorstehen, um von der Oberfläche
des Ventilmetallmaterials frei zu liegen, um die Leitfähigkeit
und die Verbindungsmerkmale zu einem Leiter zu verbessern, um Kontakt zwischen
ihnen zu erzielen.
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Das
metallische Elektrodenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung
wird verwendet, um Elektrodenstrukturen zu erzielen, die in Kontakt
mit nichtwässrigem
Elektrolyt verwendet werden. Diese Art von kohlehaltigem Metall-Material
selbst kann eine Elektrode sein, die mit Elektrolyt in Kontakt tritt.
Alternativ kann das metallisches Elektrodenmaterial eine Aktivkohleschicht
aufweisen, die auf der Oberfläche
des kohlehaltigen Metall-Materials geschichtet und gebildet ist,
das heißt
eine polarisierbare Elektrode. Die Erstere entspricht der Kathode
eines Elektrolytkondensators und die Letztere entspricht der Doppelschicht-Elektrode
eines elektrischen Doppelschicht-Kondensators.
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Im
Inneren des Elektrolytkondensators treten die Kohlepartikel des
kohlehaltigen Metallmaterials, welche zu der Oberfläche von
diesem freigelegt sind, in direkten Kontakt mit dem Elektrolyt,
um die Leitfähigkeit zwischen
dem Metallmaterial und dem Elektrolyt sicherzustellen. Zusätzlich können im
Inneren des elektrischen Doppelschicht-Kondensators die Kohlepartikel
des kohlehaltigen Metallmaterials, welche zu der Oberfläche von
diesem freigelegt sind, in direkten Kontakt mit der Aktivkohleschicht
treten, um die Leitfähigkeit
zwischen dem Metallmaterial und der Aktivkohleschicht sicherzustellen.
Selbst wenn das kohlehaltige Metall-Material in Kontakt mit dem Elektrolyt
tritt, und die metallische Oberfläche von diesem durch den Wassergehalt oder ähnlichem
in dem Elektrolyt oxidiert, bleibt in jedem der Fälle die
vorstehend genannte Leitfähigkeit
nahezu unverändert.
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Genauer
gesagt wird ein Ventilmetallmaterial, bei dem zahlreiche Kohlepartikel
in der Oberfläche
von diesem befestigt sind, um auf der Oberfläche hervorzustehen, als das
Ventilmetallmaterial der vorliegenden Erfindung angenommen. Folglich
ist es vorzuziehen, dass die Oberfläche des Ventilmetallmaterials
so geformt ist, dass die Kohlepartikel hervorstehen. Durch diese
Konfiguration stellt die unebene Form auf der Oberfläche des
Ventilmetallmaterials die Leitfähigkeit
der Aktivkohleschicht sicher und verbessert auch die Stärke der
Verbindung mit der Aktivkohleschicht.
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Genauer
gesagt ist die metallische Oberfläche des Ventilmetallmaterials
mit einem Passivfilm beschichtet. Aus diesem Grunde – auch wenn
die metallische Oberfläche
des Ventilmetallmaterials seine Leitfähigkeit verliert – ist die
metallische Oberfläche
dauerhaft vor Oxidation geschützt,
aufgrund des Kontaktes mit dem Elektrolyt, und das Ventilmetallmaterial
weist über
die Kohlepartikel eine dauerhafte Leitfähigkeit für eine verlängerte Zeitspanne auf.
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Das
Ventilmetallmaterial gemäß der vorliegenden
Erfindung kann in einer Schicht gebildet werden. Der Ausdruck „Schicht" bezieht sich hierin
auf eine Platte, eine Schicht, einen Film oder eine Folie. Das Ventilmetallmaterial
kann aus Erzeugnissen gebildet sein, die sich von den Schichten
unterscheiden, welche eine geringe Dicke mit einer gewünschten
Form aufweisen.
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Die
Schicht und andere gebildete Erzeugnisse schließen Kohlepartikel auf zumindest
einer Seite von diesen auf. Sie können Kohlepartikel auf beiden
Seiten von ihnen einschließen.
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Das
Ventilmetallmaterial für
Elektroden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird erzielt gemäß den Verfahren nach den Ansprüchen 11
und 12, durch das Treiben von zahlreichen Kohlepartikeln auf die
Oberfläche
von diesen. Gemäß Anspruch
12 wird ein Verfahren des Pressens durch die Nutzung von Pressformen
oder des Walzens durch die Nutzung von Walzen eingesetzt, um die
Kohlepartikel in die Ventilmetallfolie zu treiben. Ferner kann gemäß Anspruch
11 das Verfahren zum Erzeugen des Ventilmetallmaterials für Elektroden
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung einen Schritt einschließen, bei
welchem das Pulvermaterial für
das Ventilmetall und Kohlepartikel in einem Mischungszustand halbgeschmolzen
werden und einem Druck ausgesetzt werden, um in einem Gussblock
aus dichtem Metall geformt zu werden. Der Gussblock, der in seinem
Inneren darin fein verteilte Kohlepartikel aufweist, wird in ein
Erzeugnis verformt oder gewalzt, welches eine gewünschte Form
aufweist, und dann werden die Kohlepartikel zu der Oberfläche des Erzeugnisses
hin freigelegt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden bezugnehmend auf die beigefügten Figuren
ausführlich beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht, die ein Beispiel eines kohlehaltigen
Ventilmetallmaterials in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Kohlepartikel in
der Oberfläche
der Ventilmetallschicht befestigt sind;
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2 eine
schematische Schnittansicht, welche ein anderes Beispiel eines kohlehaltigen
Ventilmetallmaterials in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
schematische Schnittansicht, die ein noch anderes Beispiel eines
kohlehaltigen Ventilmetallmaterials in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 eine
schematische Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel eines
kohlehaltigen Ventilmetallmaterials in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei die Kohlepartikel auf beiden Seiten der Ventilmetalischicht
befestigt sind;
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5 eine
schematische, teilweise Schnittansicht, die eine Doppelschicht-Elektrode zeigt,
welche verwendet wird für
einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator, der aus dem kohlehaltigen
Ventilmetallmaterial in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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6 eine
schematische teilweise Schnittansicht, die eine Doppelschicht-Elektrode zeigt,
welche für einen
herkömmlichen
elektrischen Doppelschicht-Kondensator verwendet wird;
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7 eine
schematische, perspektivische, teilweise Ausschnitt-Ansicht, die
einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator des gewickelten Typs
zeigt;
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8 eine
schematische teilweise Schnittansicht, die eine Doppelschicht-Elektrode zeigt,
welche für einen
elektrischen Doppelschicht-Kondensator
in der Form eines Knopfes verwendet wird, welcher aus dem kohlehaltigen
Ventilmetallmaterial in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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9 eine
schematische Schnittansicht, die den elektrischen Doppelschicht-Kondensator
in der Form eines Knopfes zeigt; und
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10 eine
schematische, perspektivische, teilweise Ausschnittsansicht, die
den elektrischen Doppelschicht-Kondensator in der Form eines Knopfes
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Das
Ventilmetallmaterial für
Elektroden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung schließt Kohlepartikel auf der Oberfläche von
diesen ein, wie vorstehend beschrieben. Das Ventilmetall kann von
den Metallen ausgewählt
werden, die in der Lage sind, eine Lage in einem Passivzustand auf
seiner Oberfläche
zu bilden. Zum Beispiel können
solche Ventilmetalle Folgende einschließen: Tantal, Aluminium, Titan,
Niobium, Zirkonium, Wismut, Silizium und Hafnium. Alternativ kann
das Ventilmetall ausgewählt
werden von Legierungen, einschließlich dieser Elemente und die
in der Lage sind, eine Ventilwirkung zu erzeugen, beispielweise eine
auf Titan basierende Legierung, einschließlich Bor und Zinn, eine auf
Titan basierende Legierung, einschließlich Chrom und Vanadium, eine
auf Titan basierende Legierung, einschließlich Vanadium und Antimon, und
eine auf Aluminium basierende Legierung, einschließlich Titan.
Das wünschenswerteste
Material ist Aluminium, insbesondere hochreines Aluminium.
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Das
metallische Elektrodenmaterial der vorliegenden Erfindung ist in
einer Form gebildet, die eine gewünschte Dicke aufweist, beispielsweise
eine Schicht. Die Dicke der Schicht liegt in dem Bereich von 10 μm bis 5 mm,
auch wenn die Dicke von der Art von Kondensator oder der Art von
Elektroden abhängt.
Im Allgemeinen wird – um
elektrische Doppelschicht-Kondensatoren des gewickelten Typs und
elektrolytische Kondensatoren aufzuwickeln – vorzugsweise eine Metallfolie
verwendet, die eine Dicke von 50 μm
bis 500 μm
aufweist, um eine Flexibilität
und die ausreichende Anzahl von Wicklungsumdrehungen bereitzustellen.
Andererseits sollte bei dem elektrischen Doppelschichtkondensator
in der Form eines Knopfes das Ventilmetallmaterial – wenn es
auch als ein Teil des Wand- oder des Bodenabschnitts des Behälters verwendet
wird – vorzugsweise eine
größere Dicke
von beispielsweise etwa 0,50 bis 3,0 mm aufweisen, um dem Wand-
oder dem Bodenabschnitt eine größere Kraft
zu verleihen.
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Ein
Basis-Metallplatte zum Bereitstellen der Stärke kann mit dem vorstehend
genannten dünnen
Ventilmetallmaterial plattiert sein, und es können Kohlepartikel in dem verwendeten
plattierten Ventilmetallmaterial eingeschlossen sein. Ein gegen
Korrosion sehr widerstandsfähiges
Metall oder eine Legierung, so wie Nickel oder Edelstahl, kann als
diese Art von Basismaterial verwendet werden.
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Andererseits
sind Kohlepartikel aus leitfähigen
Kohlepartikeln gebildet, so wie Grafit oder Ruß. Ruß kann beispielsweise aus Acetylenruß gebildet
sein. Außerdem
können
Kohlepartikel aus aktiviertem gebildet sein.
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Der
Durchmesser von Kohlepartikeln sollte vorzugsweise in einem Bereich
von 0,01 bis 50 μm
liegen, und am besten in dem Bereich von 0,1 bis 10 μm. Zusätzlich können die
Kohlepartikel eine von Partikel-, Granular- und Faserformen aufweisen.
Im dem Fall von faserförmigen
Kohlepartikeln bezieht sich der vorstehend genannte Partikeldurchmesser
in dem Bereich von 0,1 bis 50 μm
auf die Faserlänge
von diesen.
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Der
Gehalt von Kohlepartikeln sollte vorzugsweise in einem Bereich von
5 bis 90 % des Flächenanteils der
Kohle liegen, in Bezug auf den ganzen Oberflächenbereich des Ventilmetallmaterials.
Wenn der Flächenanteil
der Kohle geringer ist als 5 %, kann es schwierig sein, den Kontaktwiderstand
an der Oberfläche
zufriedenstellend zu reduzieren. Der Flächenanteil der Kohle sollte
vorzugsweise höher
sein. Wenn jedoch der Flächenanteil
der Kohle höher
als 90 % ist, wird es schwierig, Kohlepartikel dauerhaft in der
Oberfläche
des Ventilmetalls durch ein Pressverfahren gepresst zu halten. Folglich
sollte der Flächenanteil
der Kohlepartikel auf der Oberfläche
vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 75 %, am besten in einem
Bereich von 30 bis 60 % liegen.
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Das
Ventilmetallmaterial sollte vorzugsweise eine raue Oberfläche aufweisen.
Insbesondere sollten Kohlepartikel vorzugsweise leicht von der Oberfläche des
Metallmaterials hervorstehen. Das Hervorstehen der Kohlepartikel
kann erzielt werden, wenn die Oberfläche einem elektrolytischen Ätzen in
einer säurehaltigen wässrigen
Lösung
ausgesetzt wird. Das Freilegen von zahlreichen Kohlepartikeln kann
die Kontakthäufigkeit einer
Aktivkohleschicht für
eine elektrische Doppelschicht-Elektrodenstruktur erhöhen. Außerdem kann
die Aktivkohleschicht durch eine Ankerwirkung fest befestigt sein.
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1 zeigt
ein Metallmaterial mit eingetriebenen Kohlepartikeln 1,
in welches nahezu aus Einzelteilen bestehende Karbonpartikel 2 auf
eine Seite einer Schicht aus Ventilmetallmaterial 10 getrieben
werden. Diese Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels
des Ventilmetallmaterials, bei dem die Kohlepartikel 2 teilweise
in die Oberfläche
des Metallmaterials eingebettet sind und die oberen Abschnitte von
ihm von der Oberfläche
hervorstehen.
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2 ist – entsprechend 1 – eine konzeptionelle
Ansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem die Kohlepartikel 2 zerkleinert
sind und vollständig
in der Oberfläche
des Metallmaterials eingebettet sind. Jedoch sind in dem Metallmaterial
mit eingetriebenen Kohlepartikeln 1 die Oberflächen der
Kohlepartikel immer noch freigelegt zu der Oberfläche des
Metallmaterials, und die Kohlepartikel können verwendet werden, um die
Leitfähigkeit
sicherzustellen. Dieser Zustand kann erzielt werden, wenn verhältnismäßig weiche
Kohlepartikel stark gepresst werden.
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3 ist
eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das Metallmaterial
mit eingetriebenen Kohlepartikeln 1, das in 2 gezeigt
ist, einem elektrolytischen Ätzen
ausgesetzt wird, um seine metallische Oberfläche 11 zu entfernern,
um auf diese Art und Weise den Kohlepartikeln zu gestatten, hervorzustehen. 4 ist
eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Kohlepartikel,
die auf beiden Seiten der Schicht des Ventilmetallmaterials eingetrieben
sind, dem Ätzen
ausgesetzt werden, wobei auf diese Art und Weise den Kohlepartikeln
gestattet wird, hervorzustehen.
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Außerdem kann
die raue Oberfläche
eine Oberfläche
sein, die erzielt wird durch das Abstrahlen der gesamten Oberfläche des
kohlehaltigen Metallmaterials. Durch das Abstrahlen kann die Oberfläche des
Ventilmetallmaterials direkt rau gebildet werden und die Kohlepartikel
können
freigelegt sein. Zusätzlich
kann die Aktivkohleschicht fest befestigt sein und der Kontaktwiderstand
der Oberfläche
kann verringert werden.
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Es
sollte ein Passivfilm auf der Oberfläche des kohlehaltigen Metallmaterials
gebildet werden (beispielsweise die metallische Oberfläche 11,
die in den 3 und 4 gezeigt
wird). Selbst wenn Wasser in dem Elektrolyt vorhanden ist, während das
Ventilmetallmaterial als eine Elektrode verwendet wird, schützt der Passivfilm
die Oberfläche
des Ventilmetallmaterials gegen Oxidation und Korrosion. Folglich
können
die Elektroden weiter stabilisiert werden, ohne sich nachtei lig
auf die Leitfähigkeit
von diesen auszuwirken, aufgrund des Vorhandenseins der Kohlepartikel.
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Der
Passivfilm sollte nur eine Dicke aufweisen, die in der Lage ist,
der Arbeitsspannung eines Kondensators, der den Film umfasst, zu
widerstehen. Zum Beispiel in dem Fall eines elektrischen Doppelschicht-Kondensators,
der mit 2,5 bis 3,5 V bemessen wird, sollte der Film nur eine Dicke
aufweisen, die in der Lage ist, einer Spannung in dem Bereich von
4 bis 5 V zu widerstehen. In diesem Fall ist das Ventilmetallmaterial
mit einem Passivfilm ausgestattet, der eine Dicke von 60 A oder
mehr aufweist.
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Einige
Verfahren sind angepasst, um ein metallisches Elektrodenmaterial
herzustellen, das aus einem Ventilmetallmaterial gebildet ist, welches
zumindest in seiner Oberfläche
zahlreiche Kohlepartikel enthält.
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Bei
einem ersten Verfahren wird eine Mischung aus Ventilmetall-Pulver
und Kohlepulver in einem Behälter
erhitzt und unter Druck gesetzt, so dass das Kohlepulver in einem
Ventilmetall-Gussblock enthalten sein kann. Dieses Verfahren umfasst
ferner einen solchen Schritt, den Gussblock aus kohlehaltigem Ventilmetall, der
durch den vorstehend genannten Schritt erzeugt wurde, einer Kunststoffbearbeitung
auszusetzen, um eine gewünschte
Form des Ventilmetallmaterials zu erzielen. In dem Schritt der Kunststoffbearbeitung
kann Warm- oder Kalt-Verformen
oder Walzen angewendet werden, wobei auf diese Art und Weise eine
Schicht mit einer gewünschten
Dicke oder ein geformtes Erzeugnis, welches andere Formen aufweist,
erzeugt wird.
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Ein
zweites Verfahren schließt
einen Schritt des Eintreibens von Kohlepulver ein, bei dem Kohlepartikel
in die Oberfläche
des Ventilmetallmaterials eingetrieben werden, durch das unter Druck
setzen von Kohlepartikeln, die auf der Oberfläche des Ventilmetallmaterials
fein verteilt werden.
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Der
vorstehend genannte Schritt des Eintreibens von Kohlepartikeln kann
auch durch ein Formpressverfahren ausgeführt werden, bei welchem Pressformen
verwendet werden, um Kohlepartikel in die Oberfläche des Ventilmetallmaterials zu
pressen und einzupassen. Die Pressformen weisen eine flache, gehärtete Platte
oder ähnliches
auf.
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Außerdem kann
der vorstehend genannte Schritt des Eintreibens von Kohlepartikeln
auch durch ein Walzverfahren ausgeführt werden, bei dem Walzen
verwendet werden, um Kohlepartikel in die Oberfläche des Ventilmetallmaterials
hineinzutreiben. Bei jedem der zwei Verfahren können Kohlepartikel in die Oberfläche des
Ventilmetallmaterials gepresst und eingepasst und dann befestigt
werden.
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Durch
die Verwendung des zweiten Verfahrens, werden Kohlepartikel in die
Oberfläche
des Ventilmetallmaterials hineingetrieben, welche eine gewünschte Dicke
aufweisen. Der vorstehend genannte Schritt des Eintreibens von Kohlepartikeln
kann ausgeführt
werden durch das Anbringen eines Oberflächendrucks von 0,5 bis 10000
kg/cm2 in einer Richtung, senkrecht zu der
Oberfläche
des Metallmaterials. Dieser Druck wird in Abhängigkeit von der Härte der
Oberfläche
des Ventilmetallmaterials und der Härte der Kohlepartikel bestimmt.
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Außerdem kann
der Schritt des Eintreibens der Kohlepartikel auch genutzt werden
als ein Schritt des Pressens oder Verformens eines unbearbeiteten
Ventilmetalls in ein geformtes Erzeugnis mit einer gewünschten
Form. Mit anderen Worten wird in diesem Fall der Schritt des Eintreibens
der Kohlepartikel ausgeführt, wenn
der Ventilmetall-Gussblock warm oder kalt gefertigt wird. In diesem
Schritt, gerade wenn das Ventilmetallmaterial durch Warm- oder Kaltverformen
oder Walzen unter Druck gesetzt wird, werden die Kohlepartikel in
die verformte oder gewalzte Oberfläche hineingetrieben.
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Außerdem,
bei dem Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung, sollte die Ventilmetalloberfläche vorzugsweise nach dem Schritt
des Presspassens der Kohlepartikel rau gebildet sein. Zu diesem
Zweck ist es wünschenswert,
dass – nach
dem Schritt des Eintreibens der Kohlepartikel – das Herstellungsverfahren
einen Schritt einschließt,
des Freilegens der Kohlepartikel zu der Oberfläche, durch das Ausführen eines
elektrolytischen Ätzens
in einer säurehaltigen,
wässrigen
Lösung.
Durch diese Behandlung stehen die auf der Oberfläche freiliegenden Kohlepartikel
von der Oberfläche
hervor, welches der Oberfläche einen
rauen Zustand verleiht. Zusätzlich
werden die Kohleparti kel, die ein wenig unter der Oberfläche eingebettet
sind, zur Oberfläche
hin freigelegt. Das Freilegen von zahlreichen Kohlepartikeln kann
die Kontakthäufigkeit
einer Aktivkohleschicht für
eine elektrische Doppelschicht-Elektrodenstruktur erhöhen. Außerdem kann die
Aktivkohleschicht durch einen Ankereffekt fest befestigt sein.
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Nach
dem Schritt des Eintreibens des Kohlepulvers schließt das Herstellungsverfahren
einen Schritt des Freilegens von Kohlepartikeln zu der Oberfläche ein,
durch das weitere Ausführen
des Abstrahlens. Dieses Verfahren kann auch das direkte Anrauen
der Oberfläche
und das Freilegen der Kohlepartikel durch Abstrahlen erreichen.
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Das
Herstellungsverfahren sollte vorzugsweise einen Schritt des Bildens
eines Passivfilms auf der metallischen Oberfläche des Metallmaterials einschließen, nach
dem Schritt des Freilegens der Kohlepartikel. Die Bildung des Films
wird durch die Verwendung eines Verfahrens ausgeführt, bei
dem das kohlehaltige Metallmaterial erhitzt und in einer oxidierenden
Atmosphäre
oxidiert wird, so wie in der Luft. Alternativ wird ein anderes Verfahren
verwendet, bei dem das kohlehaltige Metallmaterial einer anodischen
Oxidation ausgesetzt ist. Der Passivfilm sollte eine Dicke aufweisen,
die in der Lage ist, einer angelegten Spannung von 4 bis 5 V standzuhalten,
in dem Falle eines elektrischen Doppelschicht-Kondensators, der beispielsweise auf
2,5 bis 3,5 V bemessen ist. In diesem Fall ist das Ventilmetallmaterial
mit einem Passivfilm ausgestattet, der eine Dicke von 60 A oder
mehr aufweist.
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Kondensatoren
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung schließen elektrische Doppelschicht-Kondensatoren
und Elektrolytkondensatoren ein. Bei beiden Arten von Kondensatoren
wird nichtwässriges
Elektrolyt verwendet, und das Ventilmetallmaterial von diesen stellen
einen Kontakt mit dem Elektrolyt her.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die einen Kondensator des gewickelten
Typs als eine Art von elektrischem Doppelschicht-Kondensator zeigt.
Der Kondensator des gewickelten Typs ist mit flexiblen elektrischen
Doppelschicht-Elektroden
ausgestattet. Die Elektrode umfasst eine dünne Ventilmetalifolie, die
als ein Ventilmetallmaterial verwendet wird, und Aktivkohleschichten,
die mit bei den Seiten der Folie verbunden ist. Zahlreiche Kohlepartikel
sind auf der Oberfläche
der Folie befestigt, um frei zu liegen, wobei auf diese Weise der
Kontakt mit den Aktivkohleschichten hergestellt wird.
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Ein
Paar elektrischer Doppelschicht-Elektroden, die einen Separator
zwischen ihnen halten, ist auf eine Spule gewickelt und in einem
Behälter
eingeschlossen, während
es in ein nichtwässriges
Elektrolyt eingetaucht wird, wobei auf diese Art und Weise ein elektrischer
Doppelschicht-Kondensator gebildet wird. Das Elektrolyt ist aus
einem organischen Lösemittel
gebildet, welches nicht Wasser enthält, und einem Salz, welches
in einem solchen Lösemittel
gelöst
ist, um dissoziiert zu werden. Eine Lösung, in der Tetraethylammonium-Perchlorat,
das als ein Elektrolyt verwendet wird, zu Propylencarbonat hinzugefügt wird,
welches als ein Lösemittel
verwendet wird, wird als ein Beispiel verwendet.
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Die
Aktivkohleschicht wird in einem dünnen Film gebildet, durch das
Bilden von Aktivkohlepulver in einer Pastenform und durch das Auftragen
der Paste auf die Oberfläche
der Ventilmetallfolie. Die Paste wird beispielsweise erzielt durch
das Kneten einer Mischung aus Aktivkohlepulver, leitendem Kohlepulver
und einem geeigneten Bindemittel, so wie Zellulose oder Fluoreszein,
wenn nötig
zusammen mit Wasser oder einem anderen Lösemittel. Der beschichtete
Pastenfilm wird zusammen mit der Ventilmetallfolie angemessen getrocknet
und erhitzt, um das Bindemittel auszuhärten, wobei auf diese Weise
der Film fixiert wird, um eine elektrische Doppelschicht-Elektrode
zu erzielen.
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Leitungen
sind mit dem Paar elektrischer Doppelschicht-Elektroden verbunden,
eine Leitung zu jeder Elektrode. Außerdem sind die Elektroden
gewickelt, während
sie einen Separator zwischen ihnen halten, um in der Form einer
Spule gebildet zu werden. Der Separator ist aus einem geeigneten
dünnen
Material gebildet, welches isolierende und wasserdurchlässige Eigenschaften
aufweist, so wie Glasfasergewebe oder nicht-gewebter Stoff.
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Die
Spule, welche die elektrischen Doppelschicht-Elektroden und den
Separator umfasst, wird in Elektrolyt eingetaucht und in einem metallischen
Behälter
untergebracht, der einen Boden aufweist. Die Öffnung des Behälters wird
mit einem abdichtenden Material verschlossen. Die Leitungen führen durch
das abdichtende Material und erstrecken sich nach außen hin.
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Durch
die vorstehend beschriebene Struktur der Elektrode – selbst
wenn ein dünner
Isolierfilm 4 an der Schnittstelle zwischen dem schichtartigen,
metallischen Material 10 des metallischen Elektrodenmaterials 1 und
der polarisierbaren Elektrode 30 des elektrischen Doppelschicht-Kondensators
vorhanden ist, wie in 5 gezeigt – wird kein oxidierter Film
auf den Oberflächen
der Kohlepartikel 2 gebildet, der von der Elektrodenfolie 10 freigelegt
ist. Aus diesem Grunde kann eine elektrische Leitung durch die Kohlepartikel 2 an
den Abschnitten beibehalten werden, an denen die Kohlepartikel 2 vorhanden
sind. Infolgedessen nimmt der effektive Reihenverlustwiderstand
(ESR) des elektrischen Doppelschicht-Kondensators ab, und die Leitungsabschnitte
nehmen in ihrer Anzahl zu, womit die Kapazität von diesem zunimmt.
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Die 9 und 10 zeigen
einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator in der Form eines Knopfes.
Eine Aktivkohleschicht 30 ist an einer scheibenartigen
Schicht 10 befestigt, die aus dem Ventilmetallmaterial
der vorliegenden Erfindung gebildet ist, über eine klebende Schicht 9,
wobei auf diese Art und Weise ein Paar Doppelschicht-Elektroden 3 gebildet
werden. Die zwei Doppelschicht-Elektroden 3 sind
direkt mit einem dazwischen eingerichteten isolierenden Separator 5 angeordnet,
und sind im Inneren eines Metallbehälters untergebracht, der zwei
ineinander greifende Abschnitte 60 und 61 umfasst.
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Die
Schichten des Ventilmetallmaterials 10 und 10 der
zwei Doppelschicht-Elektroden 3 und 3 sind
jeweils mit den inneren Oberflächenseiten
des Bodenabschnitts 60 und des Deckelabschnitts 61 des
Metallbehälters
verbunden. Der Bodenabschnitt und der Deckelabschnitt sind dann
an ihren Umfangsabschnitten miteinander verbunden, um über eine
isolierende Ringabdichtung 69 einen wasserdichten Zustand
aufzuweisen. Der Behälter
ist mit nichtwässrigem
Elektrolyt gefüllt,
so dass die Doppelschicht-Elektroden und die Aktivkohleschichten
zufriedenstellend in dem Elektrolyt eingetaucht sind. Das nichtwässrige Elektrolyt
kann beispielsweise eine Lösung
aus Tetraethylammonium-Perchlorat sein, die als ein Elektrolyt in
Propylencarbonat verwendet wird, das als ein Lösemittel verwendet wird, wie
vorstehend beschrieben.
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Doppelschicht-Elektroden 3 für den elektrischen
Doppelschicht-Kondensator in der Form eines Knopfes sind in 8 gezeigt.
Die Aktivkohleschicht 30, das heißt die polarisierbare Elektrode 30,
wird aus einer Schicht gebildet, die aus Aktivkohlepartikeln oder
Fasern gefertigt ist.
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Zum
Beispiel wird die Aktivkohleschicht 30 erzielt, wie im
Folgenden beschrieben. Eine Paste ist präpariert durch das Mischen von
Aktivkohlepulver, einem Lösemittel
und einem geeigneten Bindemittel, und diese Paste wird in einem
dünnen
Film gebildet, der getrocknet und ausgehärtet wird, um Schichten einschließlich Aktivkohlepartikeln
zu erzielen. Die Schichten werden als die Aktivkohleschicht 30 verwendet.
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Die
Schicht von Aktivkohlefaser ist gebildet aus Fasern, die in dem
Karbonisations-Schritt der zum Beispiel auf Phenol basierenden Harzfaser
aktiviert sind. Die Aktivkohlefaser wird in eine Schicht gewoben.
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Die
vorstehend genannte Schicht von Aktivkohlepartikeln oder die Aktivkohlefaser-Schicht
ist in Schichten-Stücke
gestanzt, die eine gewünschte
Form aufweisen, und die Schichten-Stücke sind mit der kohlehaltigen
Seite der Schicht des Ventilmetallmaterials verbunden, um in der
Doppelschicht-Elektrode 3 zusammengesetzt zu werden. Ein
organisches Klebemittel 9, welches einen leitenden Zustand
aufweist, wird in der Regel für
das Verbinden verwendet.
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Das
leitende Klebemittel kann verwendet werden, um eine Schicht von
chemisch aktiven Kohlefasern oder ähnlichem fest mit der Schicht
von Ventilmetallmaterial zu verbinden. Außerdem wird das Klebemittel 9 verwendet,
um die Kohlepartikel auf der Seite des Ventilmetallmaterials an
einigen Abschnitten der Fasern und Partikel auf der Aktivkohle-Seite
elektrisch zu verbinden. Die Kohlepartikel 2 auf der Seite
des Ventilmetallmaterials stellen eine Leitfähigkeit an der. Doppelschicht-Elektrode 3 über die
klebende Schicht 9 sicher, wobei auf diese Weise der innere
Widerstand des Kondensators, der als eine Stromquelle verwendet
wird, reduziert wird.
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Die
vorliegende Erfindung schließt
auch einen nichtwässrigen
Elektrolytkondensator ein, der eine Katode aufweist, die aus einer
Schicht aus Ventilmetallmaterial gebildet ist. Die Anode des Elektrolytkondensators
ist aus einer Ventilmetall-Schicht
gebildet, die mit einer isolierenden, sehr dünnen, stark dielektrischen Schicht
auf der Oberfläche
von dieser ausgestattet ist. Die Kathode von dieser ist aus einer
Schicht eines Ventilmetalls gebildet, welche Kohlepartikel auf der
Oberfläche
von dieser einschließt.
Sowohl die Schichten der Anode als auch die der Kathode, die in
direkter Nähe
eingerichtet sind, sind gewickelt oder integriert, und sie sind
in einem Behälter
untergebracht und in Elektrolyt in dem inneren des Behälters eingetaucht.
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Das
Elektrolyt dieses Elektrolytkondensators wird präpariert durch das Hinzufügen von
beispielsweise eines geeigneten anorganischen oder organischen Salzes
zu einem auf Ethylenglykol basierenden Lösemittel. Selbst wenn eine
geringe Menge von Wasser in dem Elektrolyt vorhanden ist, wird nur
die metallische Oberfläche
des Ventilmetallmaterials oxidiert, wobei die Kohlepartikel Kontakt
mit dem Elektrolyt halten, um die Leitfähigkeit sicherzustellen. Aus
diesem Grunde ist es weit weniger wahrscheinlich, dass der Widerstand
des Elektrolytkondensators abnimmt, und es ist weit weniger wahrscheinlich,
dass der innere Widerstand von diesem ansteigt, selbst nach einer
Verwendung für
ausgedehnte Zeitspannen.
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Ausführungsformen
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[Ausführungsform
1]
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Ein
Ventilmetall wurde gebildet aus hochreiner Aluminiumfolie einer
Vierneuner-Sorte,
welche eine Dicke von 20 μm
aufweist. Ein metallisches Elektrodenmaterial wurde hergestellt,
wie im Folgenden beschrieben. Acetylenruß-Partikel, die einen durchschnittlichen
Partikeldurchmesser von 2 μm
aufweisen, wurden gleichmäßig fein
auf der Oberfläche
der Metallfolie verteilt bei 50 % an Gewicht in Bezug auf die Metallfolie
pro Einheitsbereich der Folie, und einem Arbeitsdruck von 100 kg/cm2 in einer Richtung, senkrecht zu der Oberfläche der
Folie, durch die Verwendung von Reduktionswalzen. Infolgedessen
wurde eine Metallfolie mit eingebetteten Kohlepartikeln erzielt,
in welcher zahlreiche Kohlepartikel in die Oberfläche der
Aluminiumfolie eingetrieben wurden.
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[Ausführungsform
2]
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Auf
dieselbe Art und Weise wurde ein metallisches Elektrodenmaterial
erzeugt, wie im Folgenden beschrieben wird. Acetylenruß-Partikel,
die einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 2 μm aufweisen, wurden
gleichmäßig fein
auf der Oberfläche
von hochreiner Aluminiumfolie einer Vierneuner-Sorte verteilt, wobei
diese eine Dicke von 20 μm
aufweist, bei 50 % an Gewicht in derselben Art und Weise, wie vorstehend beschrieben,
und einem Arbeitsdruck von 100 kg/cm2 in
einer Richtung, senkrecht zu der Oberfläche der Folie, durch die Verwendung
von Walzen. Zahlreiche Kohlepartikel wurden folglich in die Oberfläche der
Aluminiumfolie getrieben. Danach wurde die Metallfolie mit eingebetteten
Kohlepartikeln einem elektrolytischen Ätzen ausgesetzt, in einer auf
Stickstoffsäure
basierenden ätzenden
Lösung,
um die Kohlepartikel zu der Oberfläche freizulegen.
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[Ausführungsform
3]
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Auf
dieselbe Art und Weise wurden auf Phenolharz basierende Aktivkohlepartikel,
die einen Partikeldurchmesser von 10 μm aufweisen, gleichmäßig auf
der Oberfläche
der geätzten
hochreinen Aluminiumfolie von Vierneuner-Sorte fein verteilt, welche
eine Dicke von 20 μm
aufweist, welche als ein Ventilmetallmaterial verwendet wird, und
dann einem Druck von 100 kg/cm2 ausgesetzt,
in einer Richtung, senkrecht zu der Oberfläche der Folie, durch die Verwendung
von Reduktionswalzen. Infolgedessen werden zahlreiche Kohlepartikel in
die Oberfläche
der Aluminiumfolie getrieben. Danach wurde die Metallfolie mit eingebetteten
Kohlepartikeln einem Vorgang des Abstrahlens ausgesetzt, um die
Kohlepartikel zu der Oberfläche
hin freizulegen.
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Elektrische
Doppelschicht-Kondensatoren wurden zusammengesetzt durch die Verwendung
dieser Teile von Metallfolie mit eingebetteten Kohlepartikeln für Elektroden
in Übereinstimmung
mit den Ausführungsformen
1 bis 3. Um eine Doppelschicht-Elektrode zu bilden, wurde die Metallfolie
mit eingebetteten Kohlepartikeln mit einer Paste überzogen,
welche Aktivkohlepartikel einschließt. Um die Paste zu präparieren,
nach dem Erzielen einer Pulvermischung aus auf Phenolharz basierenden
Aktivkohlepartikeln, die einen Partikeldurchmesser von 5 μm aufweisen,
einem Ammoniumchlorid aus Carboximethylcellulose (C6H9O5CH2CO2NH4)n und
Acetylenruß in
einem Gewichtsverhältnis
von 10:1,2:2, wurde drei mal so viel Methanol wie die Pulvermischung
und fünf
mal so viel Wasser wie die Pulvermischung nach Gewicht zu der Pulvermischung
hinzugefügt
und durchgeknetet. Die metallische Elektrodenmaterial-Folie wurde
für 15
Sekunden in dieser Paste eingetaucht, wodurch ein dünner Film
der Paste auf der Metallfolie 1 gebildet wurde. Die Folie wurde
dann für
eine Stunde bei 100°C
in der Luft getrocknet, um eine Aktivkohleschicht (polarisierbare
Elektrode) zu bilden. Als nächstes
wurde die Folie zerschnitten und in zwei dünne Schichten geteilt, welche
jeweils Abmessungen von 25 × 400
mm aufweisen, wobei auf diese Weise ein Paar Doppelschicht-Elektroden
erzielt wurde.
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Als
nächstes
wurden Aluminiumleitungen 6 mit den Doppelschicht-Elektroden
verbunden, eine Leitung mit jeder Elektrode. Die zwei Doppelschicht-Elektroden
wurden direkt mit einem Separator 5 zwischen ihnen angeordnet,
und dann aufgewickelt und in eine Spule geformt. Die Spule wurde
in Elektrolyt eingetaucht, in welchem Tetraethylammoniumperchlorat
zu Propylencarbonat in einem Verhältnis von 0,5 mol/Liter hinzugefügt wurde,
und es wurde ein Verfahren des Absaugens ausgeführt, wobei die Doppelschicht-Elektroden 3 und der
Separator 5 mit dem Elektrolyt imprägniert wurden. Die Doppelschicht-Elektroden 3 und
der Separator 5 wurden dann in einen Aluminiumbehälter 7 eingeführt, und
der Behälter 7 wurde
mit einer Abdichtung verschlossen, wobei auf diese Weise ein elektrischer
Doppelschicht-Kondensator erzielt wurde.
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[Ausführungsform
4]
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Genau
wie in dem Fall von Ausführungsform
1 wurde ein Ventilmetallmaterial durch Presspassung von Kohlepartikeln
in die Oberfläche
von diesem gebildet. Das Ventilmetallmaterial wurde in einer auf
Stickstoffsäure
basierenden ätzenden
Lösung
elektrolytisch geätzt,
um die Kohlepartikel zu der Oberfläche von diesem freizulegen,
und dann bei 400°C
für zwei
Minuten in der Luft einer Oxidation ausgesetzt.
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Genau
wie in dem Fall von Ausführungsform
1, wurde eine Aktivkohleschicht auf der Oberfläche des Ventilmetallmaterials
gebildet, um eine Doppelschicht-Elektrode
zu erzielen. Durch die Verwendung der Elektroden, wurde ein elektrischer
Doppelschicht-Kondensator erzielt.
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[Ausführungsform
5]
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Genau
wie in dem Fall von Ausführungsform
3 wurde ein Ventilmetallmaterial gebildet, wie im Folgenden beschrieben.
Auf Phenolharz basierende Aktivkohlepartikel, die einen Partikeldurchmesser
von 10 μm
aufweisen, wurden gleichmäßig auf
einer Aluminiumfolie fein verteilt, welche eine Dicke von 20 μm aufweist,
und die Folie wurde einem Vorgang des Abstrahlens ausgesetzt, um
die Kohlepartikel zu der Oberfläche
von dieser freizulegen.
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Um
Doppelschicht-Elektroden zu bilden, wurde Ventilmetallmaterial-Folie
mit einer Paste beschichtet. Um die Paste zu präparieren – nach dem Erzielen einer Pulvermischung
aus auf Phenolharz basierenden Aktivkohlepartikeln, die einen Partikeldurchmesser
von 5 μm
aufweisen, einem Ammoniumchlorid aus Carboximethylcellulose und
Acetylenruß in
einem Gewichtsverhältnis
von 10:1,2:2, wurde drei mal so viel Methanol wie die Pulvermischung
und fünf
mal so viel Wasser wie die Pulvermischung nach Gewicht zu der Pulvermischung
hinzugefügt
und durchgeknetet. Die metallische Elektrodenmaterial-Folie wurde
für 15
Sekunden in dieser Paste eingetaucht, wodurch ein dünner Film
der Paste auf der Metallfolie 1 gebildet wurde. Danach
wurde die Folie für
eine Stunde bei 180° C
in der Luft getrocknet, um eine Aktivkohleschicht (polarisierbare
Elektrode) zu bilden. Als nächstes
wurde die Folie in zwei dünne
Schichten geteilt, welche jeweils Abmessungen von 25 × 400 mm
aufweisen, wobei auf diese Weise ein Paar Doppelschicht-Elektroden
erzielt wurde. Als nächstes,
genau wie in dem Fall der vorstehend genannten Ausführungsformen,
wurden die Doppelschicht-Elektroden
verwendet, -um einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator zusammenzusetzen.
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[Ausführungsform
6]
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Wie
in dem Fall von Ausführungsform
3 wurde ein Ventilmetallmaterial aus Aluminiumfolie – mit einer Dicke
von 20 μm –, auf welcher
auf Phenolharz basierende Aktivkohlepartikel, die einen Partikeldurchmesser von
10 μm aufweisen,
gleichmäßig fein
verteilt wurden, einem Vorgang des Abstrahlens ausgesetzt, um die Kohlepartikel
auf der Oberfläche
freizulegen. Außerdem
wurde dieses Ventilmetallmaterial einer Oxidationsbehandlung in
der Luft für
2 Minuten bei 400°C
ausgesetzt.
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Die
Folie des kohlehaltigen Ventilmetallmaterials, das wie vorstehend
beschrieben erzielt wurde, wurde mit einer Paste beschichtet, um
Doppelschicht-Elektroden
zu bilden. Die Paste wurde durch das Durchkneten einer Pulvermischung
präpariert,
welche auf Phenolharz basierende Aktivkohlefasern umfasst, die auf
eine Länge
von 5 μm
in der langkettigen Richtung von diesen zerschnitten wurden, einem
Ammoniumchlorid aus Carboximethylcellulose und Acetylenruß in einem
Gewichtsverhältnis
von jeweils 10:1,2:2, zusammen mit drei mal so viel Methanol wie
die Pulvermischung und fünf
mal so viel Wasser wie die Pulvermischung nach Gewicht, die zu der
Pulvermischung hinzugefügt
wurden. Die metallische Elektrodenmaterial-Folie wurde für 15 Sekunden
in dieser Paste eingetaucht, wodurch ein dünner Film der Paste auf der
Metallfolie 1 gebildet wurde. Die Folie wurde dann für eine Stunde
bei 180°C
in der Luft getrocknet, um eine Aktivkohleschicht zu bilden. Dann
wurde die Folie zerschnitten und in zwei Schichten geteilt, welche
jeweils Abmessungen von 25 × 400 mm
aufweisen, wobei auf diese Weise ein Paar Doppelschicht-Elektroden
erzielt wurde. Als nächstes – genau wie
in dem Fall der vorstehend genannten Ausführungsformen – wurde
ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator erzielt.
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[Ausführungsform
7]
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Wie
in dem Fall von Ausführungsform
1 wurde ein Ventilmetallmaterial erzielt, durch die Verwendung eines
Aluminiumfilms, welcher einer Dicke von 20 μm aufweist, auf der auf Phenolharz
basierende Aktivkohlepartikel, die einen Partikeldurchmesser von
10 μm aufweisen,
gleichmäßig fein
verteilt wurden.
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Um
eine Pulvermischung für
eine Paste zu präparieren,
wurde ein Pulvermischung verwendet aus auf Phenolharz basierenden
Aktivkohlefasern, die auf eine Länge
von 5 μm
in der langkettigen Richtung von diesen zerschnitten wurden, einem
Ammoniumchlorid aus Carboximethylcellulose und Acetylenruß in einem
Gewichtsverhältnis
von 10:1, 2:2. Zu dieser Pulvermischung wurde drei mal so viel Methanol
wie die Pulvermischung und fünf
mal so viel Wasser wie die Pulvermischung nach Gewicht hinzugefügt, um eine
Mischungslösung
in der Form eines dünnen
Breis zu präparieren.
Ein Kollektor 1 wurde dann in die Mischungslösung für 15 Sekunden
eingetaucht, wodurch eine polarisierbare Elektrode 3 als
ein Film auf dem Kollektor 1 gebildet wurde. Als nächstes wurde
die Elektrode für
eine Stunde bei 180°C
in der Luft getrocknet, und die Folie wurde zerschnitten und in
zwei dünne
Schichten geteilt, welche jeweils Abmessungen von 25 × 400 mm
aufweisen, wobei auf diese Weise ein Paar Doppelschicht-Elektroden erzielt
wurde. Wie in dem Fall der vorstehend genannten Ausführungsformen
wurde ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator erzielt.
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[Vergleichendes Beispiel]
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Eine
metallisches Elektrodenmaterial-Folie wurde aus hochfeiner Aluminiumfolie
einer Vierneuner-Sorte gebildet, welche eine Dicke von 20 μm aufweist
und nicht Kohlepartikel einschließt. Dieses Ventilmetallmaterial
wurde in einer Wasserlösung
von 1,0 N Salzsäure,
6,0 N Stickstoffsäure
und 4,0 N Phosphorsäure
eingetaucht. Die Aluminiumfolie wurde einem Ätzprozess ausgesetzt, durch
das Anlegen eines Gleichstroms an die Folie, die als die Anode verwendet
wurde. Es wurde ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator erzielt,
genau wie in dem Fall von Ausführungsform
1.
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Die
Kondensatoren in Übereinstimmung
mit diesen Ausführungsformen
und dem vergleichenden Beispiel wurden bei einer konstanten Spannung
von 2,5 V für
eine Stunde geladen. Die Kondensatoren wurden dann bei einem Dauerstrom
von 100 mA entladen, und die Werte der Kapazität C und des effektiven Reihenverlustwiderstandes
(ESR) der Kondensatoren wurden gemessen. Außerdem wurden die Kondensatoren
bei einer konstanten Spannung von 2,8 V bei 75°C in einem Bad mit konstanter
Temperatur geladen und in diesen Zuständen für 3000 Stunden belassen. Sie
wurden dann mit einem Dauerstrom von 100 mA entla den, und die Werte
der Kapazität
C und des effektiven Reihenverlustwiderstandes (ESR) der Kondensatoren
wurden auf dieselbe Art und Weise gemessen.
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Tabelle
1 zeigt die Ergebnisse der Messungen. Tabelle 1
| | Oberflächenbehandlung | C
(F) | ΔC (%) | ESR
(mΩ) | ΔESR (%) |
| Ausführungsform
1 | Kohlepartikel einbetten | 27 | –16,1 | 55 | 16,5 |
| Ausführungsform
2 | Kohlepartikel einbetten, Ätzen | 42 | –5,5 | 28 | 4,0 |
| Ausführungsform
3 | Kohlepartikel einbetten,
Abstrahlen | 48 | – | 32 | – |
| Ausführungsform
4 | Kohlepartikel einbetten, Ätzen, Oxidierung | 40 | –3,0 | 30 | 2,5 |
| Ausführungsform
5 | Kohlepartikel einbetten,
Abstrahlen, Oxidierung | 48 | –6,2 | 32 | 4,5 |
| Ausführungsform
6 | Kohlepartikel einbetten,
Abstrahlen, Oxidierung | 45 | –3,0 | 34 | 2,8 |
| Ausführungsform
7 | Kohlepartikel einbetten | 35 | –18,5 | 60 | 14,8 |
| Vergleich | – | 20 | –27,5 | 80 | 22,0 |
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Das ΔC und ΔESR in Tabelle
1 stellen die Veränderungsverhältnisse
von C und ESR von den ursprünglichen
C- und ESR-Werten zu denen dar, die jeweils 3000 Stunden später nach
den Behandlungen in den vorstehend genannten Zuständen erzielt
wurden.
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Wie
deutlich in Tabelle 1 offenbart, ist es zu erkennen, dass die Widerstandswerte
der elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren – die aus den kohlehaltigen
Metallmaterialien in Übereinstimmung
mit den Ausführungsformen
gebildet sind – höher sind
als die des vergleichenden Beispiels, und dass die ESR-Werte des Ersteren
niedriger sind als die des Letzteren. Dieses kann wie folgt erklärt wer den:
durch die Verwendung der Elektrodenfolie, zu der Kohlepartikel hinzugefügt wurden,
sind die Kohlepartikel zu der Oberfläche der Elektrodenfolie hin
freigelegt, wobei auf diese Art und Weise eine Leitfähigkeit
an der Schnittstelle zwischen der Elektrodenfolie und der polarisierbaren
Elektrode beibehalten werden kann. Außerdem wurde gemäß dieser
Tabelle herausgefunden, dass die Beständigkeit des Widerstandes und
ESR in Bezug zu der Zeit verbessert werden kann, indem die Oberfläche des
kohlehaltigen Metallmaterials rau gebildet wird, durch das Ausführen eines Vorgangs
des Ätzens
oder des Abstrahlens, insbesondere durch das Ausführen eines
Vorgangs der Oxidation, um einen Passivfilm zu bilden.
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Das
metallische Elektrodenmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird verwendet, um eine Kondensator-Elektrodenstruktur
zu bilden, welche in Kontakt mit einem Elektrolyt tritt, und schließt zahlreiche
Kohlepartikel auf der Oberfläche
des Ventilmetallmaterials ein. Folglich kann eine elektrische Verbindung
sichergestellt werden zwischen einem Kohle-Elektrodenelement, so
wie Aktivkohlepartikeln, an denen das metallische Elektrodenmaterial
verbunden ist, und dem Elektrolyt, wobei auf diese Weise eine dauerhafte Elektrodenstruktur
erzielt werden kann. Aus diesem Grunde wird die Elektrodenfunktion
dieses metallischen Elektrodenmaterials nicht verschlechtert, selbst
wenn das Material bei Vorhandensein von Wasser in dem Elektrolyt
verwendet wird.
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Zusätzlich können die
Kohlepartikel des metallischen Elektrodenmaterials in der Oberfläche des
Ventilmetallmaterials befestigt sein, um zu der Oberfläche hin
frei zu liegen, wobei auf diese Weise ein Stromanschluss und eine
Verbindung mit den Elektrodenelementen verbessert wird.
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Außerdem,
wenn die Oberfläche
des Ventilmetallmaterials des metallischen Elektrodenmaterials mit einem
Passivfilm beschichtet ist, kann eine hohe Leitfähigkeit zu den Elektrodenelementen
und dem Elektrolyt dauerhaft für
ausgedehnte Zeitspannen sichergestellt werden. Das metallische Elektrodenmaterial
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist mit einer Aktivkohleschicht beschichtet,
und kann als die Doppelschicht-Elektroden eines elektrischen Doppelschicht-Kondensators
verwendet werden. Folglich ist es möglich, einen elekt rischen Doppelschicht-Kondensator
zu erzielen, der einen geringen inneren Widerstand und einen hohen
Kapazitätswert
aufweist.
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Außerdem wird
das metallische Elektrodenmaterial, welches Kontakt mit dem Elektrolyt
herstellt, als die Katode eines Elektrolytkondensators verwendet,
wobei es auf diese Weise möglich
ist, eine Kathode zu erzielen, die eine dauerhafte Leitfähigkeit
für eine
ausgedehnte Zeitspanne aufweist. Folglich ist es möglich, einen
Elektrolytkondensator zu erzielen, der einen geringen inneren Widerstand
und einen hohen Kapazitätswert
aufweist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
metallischen Elektrodenmaterialien in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung können
in den Gebieten der Metallindustrie und der elektronischen Komponenten-Materialien
hergestellt werden, und können
als Elektrodenmaterialien für
elektrische Doppelschicht-Kondensatoren und Elektrolytkondensatoren verwendet
werden. Außerdem
können
die Kondensatoren in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung als elektronische Komponenten in
dem Gebiet der elektronischen Komponenten-Materialien unterschiedlich hergestellt
und verwendet werden, und können
auf einen breiten Bereich von verschiedenen elektronischen Vorrichtungen
angewendet werden.