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DE19836651A1 - Mehrschichtige Elektrode für elektrochemische Anwendungen - Google Patents

Mehrschichtige Elektrode für elektrochemische Anwendungen

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Publication number
DE19836651A1
DE19836651A1 DE19836651A DE19836651A DE19836651A1 DE 19836651 A1 DE19836651 A1 DE 19836651A1 DE 19836651 A DE19836651 A DE 19836651A DE 19836651 A DE19836651 A DE 19836651A DE 19836651 A1 DE19836651 A1 DE 19836651A1
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DE
Germany
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glassy carbon
metal sheet
carbon layer
electrode
layer
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Withdrawn
Application number
DE19836651A
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English (en)
Inventor
Claus Schueler
Ruediger Koetz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to DE19836651A priority Critical patent/DE19836651A1/de
Publication of DE19836651A1 publication Critical patent/DE19836651A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Bei einer Elektrode für elektrochemische Anwendungen, welche aus mehreren leitenden Schichten aufgebaut ist, wird die Herstellung von großflächigen und dünnen Glaskohlenstoff-Elektroden dadurch erreicht, dass auf einer Unterlage aus einem Metallblech (10) eine Glaskohlenstoffschicht (14) aufgebracht ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Glaskohlenstoff- Elektroden. Sie betrifft eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen, welche aus mehreren leitenden Schichten aufgebaut ist. Sie betrifft des weiteren Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode und ihre Verwendungen.
STAND DER TECHNIK
Kohlenstoffmaterialien werden in zahlreichen elektrochemischen Anwendungen vorteilhaft als Elektrodenwerkstoffe verwendet. Dabei muss eine hohe spezifische Oberfläche (100-1000 m2/gr) angestrebt werden, damit die elektrochemischen Reak­ tionen effizient ablaufen. Kohlenstoff wird deshalb vor allem in Pulverform als Elek­ trode verwendet. Damit entsteht die Aufgabe, aus dem losen Kohlepulver dünne, flächenförmige Elektroden zu formen. Man benutzt dazu meist Bindemittel, die das feinteilige Pulver kompaktieren; ausserdem werden Metallgitter verwendet, in die das Kohlepulver/Bindemittel-Gemisch eingepresst wird. Angestrebt wird bei dieser Tech­ nik ein optimaler Kompromiss zwischen einerseits grosser spezifischer Oberfläche infolge lockerer Packung und andererseits guter elektrischer Leitfähigkeit, die durch möglichst dichte Packung der Pulverpartikel erzielt wird. Nur hohe spezifische Ober­ fläche in Kombination mit hinreichender Leitfähigkeit ergeben Elektroden mit hoher elektrochemischer Effizienz. Zahlreiche Methoden, die zu einem möglichst optimalen Kompromiss führen, sind bekannt.
Ein Werkstoff, der beide der obigen Forderungen hervorragend erfüllt, ist Glaskoh­ lenstoff (Glassy Carbon, GK). Seine Dichte ist ca. 1.5 g/cm3, etwa 65% von Graphit (Glassy Carbon, T.X. Neeman et al. in Polymeric Materials Encyclopedia, Editor in Chief: Joseph C. Salamone, p. 2790, CRC Press, 1996). Es ist also ein Porenvolu­ men von bis zu 35 Vol.% vorhanden. Glaskohlenstoff ist jedoch in unbearbeiteter Form flüssigkeits- und gasdicht; die Poren sind folglich voneinander isoliert und von der Oberfläche her nicht zugänglich. Die elektrische Leitfähigkeit von Glaskohlenstoff liegt bei 200 (Ωcm)-1. Durch teilweisen oxidativen Abbau des Materials - entweder elektrochemisch oder thermisch - lassen sich die oberflächennahen Poren aber zu­ gänglich machen: Mit einer solchen Aktivierung erhält man eine hohe spezifische Oberfläche in der Randzone, d. h. auf der Aussenseite, das verbleibende Gerüst der aktivierten Zone aus amorphem Glaskohlenstoff behält dabei aber seine hohe Leit­ fähigkeit. Aktivierter Glaskohlenstoff bietet einen besonders vorteilhaften Elektro­ denwerkstoff.
Nachteilig bei der Anwendung von Glaskohlenstoff in grossen technischen elektro­ chemischen Zellen sind seine mechanischen Eigenschaften: Sehr grosse Härte, ver­ bunden mit extremer Sprödigkeit. Folien mit Dicken zwischen 50 µm und 500 µm wer­ den mit zunehmender Flächengrösse schwieriger zu handhaben; sie brechen äusserst leicht, und dies besonders bei lokaler mechanischer Zugbeanspruchung. In elektrochemischen Zellen müssen deshalb genügend dicke Platten verwendet wer­ den, die aber wegen des aufwendigen Herstellungsprozesses teuer sind. Zudem ist auch dann ihre maximale Grösse praktisch begrenzt auf ca. 0.1 m2.
Versuche, diese Probleme zu lösen, wurden bereits unternommen, meist jedoch können die beschriebenen Elektroden weder in ökonomischer Weise als bipolare Zellstapel aufgebaut werden, noch kann eine stoffschlüssige, elektrisch leitende Verbindung zwischen Glaskohlenstoff und einem Träger hergestellt werden. Diese Verbindung muss u. a. so stark sein, dass ein anschliessendes thermisches oder elektrochemisches Aktivieren der Oberfläche des Glaskohlenstoffs noch möglich ist. Ausserdem stellt sich meist das Problem, dass die Verbindung zwischen Metall und Glaskohlenstoff im Laufe der Zeit bei der elektrochemischen Verwendung korrosiv angegriffen wird, was sowohl die Leitfähigkeit, als auch die mechanische Verbin­ dungsfestigkeit reduziert.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Verfügung zu stellen, welche die Herstellung dünner, grossflächiger Elektroden für elektrochemische An­ wendungen unter Verwendung der Glaskohlenstofftechnologie erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf einer Unterlage aus einem Metallblech eine Glaskohlenstoffschicht aufge­ bracht ist. Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, einen elektrisch leitenden Träger (die Metallplatte), welcher in dünner und mechanisch stabiler Form verfügbar ist, mit einer fest daran haftenden Beschichtung aus Glaskohlenstoff zu versehen. Dies führt zu einer Kombination der mechanisch und elektrisch vorteilhaf­ ten Eigenschaften des Metallblechs und der hohen spezifischen Oberfläche des Glaskohlenstoffs.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung aus Glaskohlenstoff thermisch oder elektrochemisch aktiviert ist. Dies führt zu einer noch grösseren spezifischen Oberfläche des Glaskohlenstoffs und damit zu besseren elektrochemischen Eigenschaften.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech aus einem Übergangsmetall besteht, bevorzugt aus den Gruppen 4, 5, 6, oder 8 (oder ei­ ner Legierung aus diesen Metallen), welches weiter bevorzugt in der Lage ist, Me­ tallcarbide zu bilden. Durch ein entsprechendes Verfahren kann so erreicht werden, dass sich zwischen dem Metallblech und der Glaskohlenstoffbeschichtung eine Schicht aus Metallcarbid bildet, welche Metall und Glaskohlenstoff schlüssig verbin­ det. Ausserdem ist diese verbindende Schicht elektrisch leitend, was für die Funktion des Schichtaufbaus als Elektrodenmaterial unabdingbar ist.
Eine andere Ausführungsform beruht darauf, dass die Glaskohlenstoffschicht aus einem polymeren Glaskohlenstoffträger und eingelagerten Glaskohlenstoffpartikeln besteht. Auf diese Weise kann im Herstellungsprozess sichergestellt werden, dass sich die beteiligten Materialien Metall, Metallcarbid und Glaskohlenstoff nicht infolge unterschiedlicher Ausdehnungen oder sonstiger Unterschiede der Materialeigen­ schaften voneinander ablösen.
Weitere Ausführungsformen der Elektrode ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.
Ausserdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode bestehend aus einer Glaskohlenstoffschicht und einem Metallblech vorgestellt. In diesem Verfahren wird das Metallblech aus einem Übergangsmetall der Gruppen 4, 5, 6, oder 8 (oder einer Legierung aus diesen Metallen) mit einer Schicht aus bevorzugt aktiviertem Glas­ kohlenstoff überzogen, wobei bevorzugt so vorgegangen wird, dass sich zwischen der Metallschicht und der Glaskohlenstoffschicht eine Zwischenschicht aus Me­ tallcarbid bildet.
Eine weitere Ausführungsform des obigen Verfahrens besteht darin, dass das Me­ tallblech, bevor es mit Glaskohlenstoff beschichtet wird, aufgerauht wird, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Metall und Glaskohlenstoff sicherzustellen.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch charakterisiert, dass die Glaskohlenstoffschicht hergestellt wird, indem ein Gemisch aus einer Glaskohlen­ stoff bildenden, im wesentlichen monomeren organischen Substanz und Glaskoh­ lenstoffpartikeln oder Kohlenstoffpartikeln auf das aufgerauhte Metallblech aufgetra­ gen wird, und daraufhin das Gemisch bei erhöhten Temperaturen an der Luft für mehrere Stunden polymerisiert wird, und dass anschliessend das beschichtete Me­ tallblech in einem Vakuumofen auf 700 bis 1200° aufgeheizt wird. So bildet sich eine sehr starke, stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindungsschicht aus Me­ tallcarbid. Insbesondere bipolare Zellstapel können mit diesem Verfahren auf öko­ nomische Weise hergestellt werden.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.
Zusätzlich werden Verwendungen der obigen Elektrode als bevorzugt bipolare elek­ trochemische Kondensatoren vorgeschlagen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen­ hang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Aufbaus einer mehrschichtigen Glaskohlenstoffelektrode, und
Fig. 2 zeigt die verschiedenen Herstellungsschritte einer mehrschichtigen Glaskohlenstoffelektrode.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegen die beiden folgenden Sachver­ halte zugrunde:
Erstens sind bestimmte organische Stoffe, z. B. Furfurylalkohol, in an sich bekannter Weise, polymerisierbar, und das gebildete, feste Polymerisat wandelt sich durch Py­ rolyse zwischen 700°C und 2000°C im Vakuum zu Glaskohlenstoff um. Der entstan­ dene Glaskohlenstoff wird dann weiter durch Erhitzen an Luft bei 400-600°C akti­ viert. Es entsteht durch partielle Oxidation eine hochporöse Randzone, deren spezi­ fische Oberfläche 100-1000 m2/gr beträgt und die elektrochemisch hochaktiv ist.
Andererseits ist auch bekannt, dass mit bestimmten, carbidbildenden Übergangs­ metallen die Reaktion
Metall + Kohlenstoff -< Metallcarbid
stattfindet. Ferner sind die so gebildeten Carbide (z. B. TiC, WC, MoC, VC, TaC, HfC), meist Einlagerungscarbide, elektrisch leitfähig, und haben eine metallartige, hohe Leitfähigkeit.
Durch Versuche findet man heraus, dass an Kontaktflächen zwischen Glaskohlen­ stoff und Titan bei 700-1000°C eine Reaktionszone von TiC gebildet wird, die einer­ seits beide Stoffe mechanisch fest verbindet und andererseits auch einen sehr gut leitfähigen elektrischen Kontakt zwischen beiden Stoffen herstellt.
Ausserdem zeigt es sich, dass die gewünschte, technisch brauchbare Verbindung in besonderem Masse dann entsteht, wenn zwei Massnahmen getroffen werden:
  • 1. Als Ausgangsstoff für die Glaskohlenstoff (GK) Schicht sollte ein Komposit aus bereits pyrolysiertem GK Pulver oder aktivem Kohlenstoffpulver und flüssigem Furfu­ rylalkohol benützt werden.
  • 2. Die Oberfläche des Metallbleches, auf die der GK Ausgangsstoff aufgetragen wird, sollte in geeigneter Weise aufgerauht sein, z. B. durch Sandstrahlen.
Bei diesem Vorgehen läuft der Herstellprozess wie folgt ab (beispielhaft sei als Me­ tall Titan gewählt): Das dickflüssige Gemisch von GK-Pulver und Furfurylalkohol, dem ein geeigneter Katalysator zur Förderung der Polymerisation zugefügt wurde, bringt man als Schicht von 10-200 µm Dicke auf die gerauhte Ti-Oberfläche, z. B. durch Spritzen mit einer Farbspritzpistole. Der flüssige Teil des Gemisches dringt in die aufgerauhte Struktur des Ti-Bleches ein. Er polymerisiert nach ca. 1/2 Stunde bei 100°C, und bildet ein festes Komposit aus Polyfurfuryl und GK Partikeln. Bereits in diesem Stadium, besonders aber bei der anschliessenden pyrolytischen Zersetzung bei 700°C bis 1000°C zu GK, tritt eine signifikante lineare Schrumpfung des reinen Polyfurfuryls ein. Ohne die Beimischung von bereits pyrolysiertem GK Pulver würde die Schicht mehr als 20% linear schrumpfen und sich deshalb u. U. vom Ti-Blech ablösen. Das wird beim beschriebenen Vorgehen verhindert, zum einen weil die Schrumpfung wegen des hohen Volumenanteils Pulver stark reduziert ist, zum ande­ ren weil das Polymerisat in den Kavitäten der Ti-Oberfläche wirksam verankert ist und bleibt. Die elektrische Leitfähigkeit der fertigen GK-Kompositschicht ist hoch, sie entspricht mit σ = 100-200 (Ωcm-1) etwa der Leitfähigkeit von monolithischem GK, hergestellt z. B. aus polymerisiertem Furfurylalkohol ohne Zugabe von pulverförmi­ gem GK.
Zu Beginn des Prozesses benetzt der flüssige Anteil des Gemisches die aufgerauhte Titanoberfläche und auch im Verlauf der Polymerisation bleibt der Kontakt erhalten. Während sich im Vakuum mit steigender Temperatur aus dem Polymer durch Pyro­ lyse allmählich reiner Kohlenstoff abspaltet, beginnt gleichzeitig die Reaktion mit Ti­ tan zu TiC. Die Reaktion ist begleitet von Diffusionsvorgängen der Komponenten ineinander, und deshalb wird die Reaktionszone zur stoffschlüssigen, mechanisch festen Verbindung zwischen GK und Titan. Auch zwischen dem Polymer und dem Füllstoff aus GK Pulver entsteht aus der anfänglichen Benetzung durch die nachfol­ gende Pyrolyse eine stoffschlüssige Verbindung mit fester Bindung zwischen den Kohlenstoffphasen.
Das Resultat des erfindungsgemässen Vorgehens wird schematisch in Fig. 1 ge­ zeigt. Auf dem aufgerauhten Titan 10 liegt zunächst eine Titancarbidschicht 11, wel­ che gut mit dem Titan 10 verzahnt und verbunden ist. Auf der Titancarbidschicht 11 befindet sich dann die Glaskohlenstoffschicht 14, welche sich aus dem polymeren Glaskohlenstoffkörper 12 und den in diesem eingelassenen Glaskohlenstoffpartikeln 13 zusammensetzt.
Sowohl beim Schrumpfen während der Pyrolyse des Polymers, als auch durch Di­ mensionsänderungen bei der Bildung von kristallinem TiC aus den Komponenten, können hohe mechanische Spannungen zwischen dem Substrat Titan und der Be­ schichtung entstehen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde den­ noch keine Ablösung des GK-Komposits vom Titan festgestellt, wenn die Prozess­ bedingungen wie beschrieben gewählt werden. Offenbar werden die Spannungen bereits weitgehend abgebaut während sich das Kohlenstoff-Kohlenstoff Komposit ausbildet. Die verbleibenden Restspannungen Überschreiten dann die Haftfestigkeit der Ti/TiC/GK Reaktionszone nicht mehr. Die Haftfestigkeit ist sowohl hinreichend um die Spannungen, herrührend aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Titan und GK beim Kühlen von 700-1000°C auf Raumtemperatur zu überstehen als auch beim Wiedererhitzen auf 400-600°C an Luft für die nachfolgende, thermisch oxidative Aktivierung.
Im Detail sei nun folgendes Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 2 zeichnet in einem Flussdiagramm die sukzessiven Schritte graphisch nach.
Bleche aus Titan mit den Abmessungen 100×100 mm, Dicke 100 µm, werden auf bei­ den Oberflächen mit Siliziumkarbidpulver so sandgestrahlt, dass eine gleichmässige Rauhtiefe von 15 µm entsteht. Durch anschliessendes Tempern bei 800°C zwischen ebenen Platten aus Al2O3 wird die beim Sandstrahlen entstandene Verbeulung be­ seitigt; man erhält völlig ebene Bleche. Zur Beschichtung wird folgendes Gemisch angesetzt:
  • - 50 gr Furfurylalkohol,
  • - 50 gr hochmolekularer Poly-Furfurylalkohol Molekulargewicht 300 (geliefert von Great Lakes Chemical Corporation, West Lafayette IN 47906, USA, Handelsna­ me: Quacorr 1300 Resin),
  • - 300 gr Methylbutylketon (oder ein anderes organisches Lösungsmittel z. B. Iso­ propylalkohol), in dem 2 gr Paratoluolsulfonsäure als Katalysator gelöst wurde;
dazu wird 500 gr GK Pulver gegeben mit einer Partikeldurchmesserverteilung cha­ rakterisiert durch 0.4 µm < d < 12 µm und 10 Minuten lang eingemischt mit einem langsam laufenden Rührer. Die entstandene Mischung hat die Konsistenz von Lackfarbe und wird in einer Spritzkapelle mit einer Farbspritzpistole schichtweise auf die Titanbleche aufgetragen bis die Schichtdicke 10-100 µm beträgt.
Die beschichteten Bleche werden bei 40°C in einem gut belüfteten Ofen für 5 Std. gelagert, der Ofen anschliessend mit 20°C/Std. auf 100°C gebracht. Die entstande­ nen Polymerschichten haften dann fest auf den Titanblechen.
Anschliessend pyrolysiert man die Polymerschichten zu GK. Man bringt die be­ schichteten Bleche in einen Vakuumofen, dessen Restdruck p≦10-5 Torr ist. Mit 100°C/Std. wird der Ofen auf 900°C gebracht und 60 Min. dort gehalten. Nach dem Abkühlen haften 30-50 µm dicke Kompositschichten aus GK Partikeln in einer GK Matrix fest auf den Titanblechen. Der Volumenanteil der GK Matrix ist ca. 15% vom Volumen der Partikel. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit, gemessen mit einer Vierkontaktmethode an einer im gleichen Prozessgang hergestellten Probe auf iso­ lierender Al2O3 Keramik, wurde zu σ=110 (Ωcm)-1 bestimmt.
Der spezifische Kontaktwiderstand zwischen GK Kompositschicht und Titanblech wurde zu ca. ρk=10-4 Ωcm2 bestimmt. Die GK Elektroden werden jetzt noch aktiviert, indem man sie an Luft mit 200°C/Stunde auf 450°C bringt, dort 2 Stunden hält und wieder abkühlen lässt. Die fertigen Elektroden haben eine ca. 20 µm dicke Aktivzone an der Oberfläche, deren spezifische Oberfläche zu 453 m2/g bestimmt wurde, dies unter Verwendung der Methode der N2-Absorption nach Brunauer, Emmet und Tel­ ler, auch BET Methode genannt (S. Brunauer, P.H. Emmet, and E. Teller, J. Am. Chem. Soc. 60, 309, 1938).
Bezugszeichenliste
10
Titanfolie
11
Titancarbidschicht
12
Polymerer Glaskohlenstoffkörper
13
Glaskohlenstoffpartikel
14
Glaskohlenstoffschicht

Claims (25)

1. Elektrode für elektrochemische Anwendungen, welche aus mehreren leitenden Schichten aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Unterlage aus einem Metallblech (10) eine Glaskohlenstoff­ schicht (14) aufgebracht ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas­ kohlenstoffschicht (14) aktiviert ist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas­ kohlenstoffschicht (14) elektrochemisch aktiviert ist.
4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas­ kohlenstoffschicht (14) thermisch aktiviert ist.
5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (10) aus einem Übergangsmetall besteht.
6. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall­ blech (10) aus einem Übergangsmetall aus einer der Gruppen 4, 5, 6 oder 8, oder einer Legierung aus diesen Metallen besteht und dass das Übergangsmetall oder die Übergangsmetalllegierung metallartig leiten­ de Carbide bilden kann.
7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall­ blech (10) aus Titan besteht.
8. Elektrode nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, dass sich zwischen der Glaskohlenstoffschicht (14) und dem Me­ tallblech (10) eine Übergangsmetallcarbid-Schicht (11) befindet.
9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall­ blech (10) und die Glaskohlenstoffschicht (14) durch die Übergangs­ metallcarbid-Schicht (11) stoffschlüssig und elektrisch gut leitend ver­ bunden sind.
10. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas­ kohlenstoffschicht aus einem polymeren Glaskohlenstoffkörper (12) mit eingelagerten Glaskohlenstoffpartikeln (13) besteht.
11. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für elektrochemische An­ wendungen, welche aus mehreren leitenden Schichten aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Unterlage aus einem Metallblech (10) eine Glaskohlenstoff­ schicht (14) aufgetragen wird, wobei dieses Metallblech aus einem Übergangsmetall einer der Gruppen 4, 5, 6, oder 8 oder einer Legierung derselben besteht, und wobei das Übergangsmetall oder die Über­ gangsmetalllegierung metallartig leitende Carbide bilden kann.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas­ kohlenstoffschicht (14) thermisch oder elektrochemisch aktiviert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das beschichtete Metallblech (10) derart erhöhter Tem­ peratur ausgesetzt wird, dass sich zwischen dem Metallblech (10) und der Glaskohlenstoffschicht (14) eine Metallcarbidschicht (11) ausbildet, und dass Metallblech (10) und Glaskohlenstoffschicht (14) durch die Übergangsmetallcarbid-Schicht (11) stoffschlüssig und elektrisch gut leitend verbunden sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, dass vor dem Auftragen der Glaskohlenstoffschicht (14) das Me­ tallblech (10) aufgerauht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Me­ tallblech (10) mechanisch durch Sandstrahlen aufgerauht wird, und dass die Rauhtiefe im Metallblech (10) 1 bis 20 Micrometer beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, dass die Glaskohlenstoffschicht (14) hergestellt wird, indem ein Gemisch aus einer Glaskohlenstoff bildenden, im wesentlichen mono­ meren organischen Substanz und Glaskohlenstoffpartikeln (13) oder Kohlenstoffpartikeln auf das Metallblech aufgetragen wird, und dann die Beschichtung bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 150°C an der Luft für 1 bis 5 Stunden polymerisiert wird, und dass anschliessend das beschichtete Metallblech (10) in einem Ofen für 15 bis 90 Minuten auf 700 bis 1200° aufgeheizt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen mit einem Restdruck von weniger als 10-5 Torr betrieben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen mit einem Inertgas, wie insbesondere He, Ar und/oder N2 gespült wird, und dass die durch die Spülung erzeugte Atmosphäre bezüglich einem oder mehreren der Fremdgase H2O, H2, NH3, und/oder O2 bis auf ein Volumenanteil dieser Fremdgase von weniger als 10-5 gereinigt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Aktivierung der Glaskohlenstoffschicht (14) am Ende die Elektrode mit 50 bis 200° pro Stunde an Luft auf 400 bis 500°C aufgeheizt und bei diesen Temperaturen für 0.1 bis 5 Stunden gehalten wird, wobei sich auf der Glaskohlenstoffschicht (14) eine aktivierte Zo­ ne von 1 bis 50 Micrometern bildet, deren spezifische Oberfläche 50 bis 1000 m2/gr beträgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas­ kohlenstoff bildende Gemisch eine Mischung von Pulver aus Glaskoh­ lenstoffpartikeln (13) mit Partikeldurchmessern im Bereich von 0.1 bis 50 Micrometer und flüssigem Furfurylalkohol, dem 0.5 bis 4.0 Ge­ wichtsprozent Paratoluolsulfonsäure als Katalysator zugegeben wurde, ist, dass die Mischung aus 10 bis 95 Volumenprozenten Pulver und 90 bis 5 Volumenprozenten Furfurylalkohol besteht, und dass diese Mischung mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 500 Micrometern auf das Metallblech (10) aufgebracht wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Glaskohlenstoffpartikel (13) ein elektrochemisch aktives Kohlepul­ ver mit einer spezifischen Oberfläche von 50 bis 2000 m2/gr für die Mi­ schung verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an Stelle des Furfurylalkohols eine Mischung aus Furfu­ rylalkohol und vorpolymerisiertem Furfurylalkohol mit einem Molekular­ gewicht von 200 bis 500 gr/Mol für die Mischung verwendet wird, und dass der Katalysator in einem organischen Lösungsmittel gelöst beige­ geben wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeich­ net, dass das Metallblech aus Titan besteht.
24. Verwendung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für elektrochemische Kondensatoren.
25. Verwendung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für bipolare elektrochemische Kondensatoren.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004032163A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-15 Medtronic, Inc. Capacitor and implantable medical device comprising such a capacitor
WO2004109728A1 (en) * 2003-05-30 2004-12-16 Medtronic, Inc. Capacitor and method for producing a capacitor
US6842328B2 (en) 2003-05-30 2005-01-11 Joachim Hossick Schott Capacitor and method for producing a capacitor
WO2005042799A1 (en) * 2003-10-23 2005-05-12 Medtronic, Inc. Methods of producing carbon layers on titanium metal
WO2006014991A3 (en) * 2004-07-30 2006-06-29 Medtronic Inc Methods and apparatus for producing carbon cathodes
US7256982B2 (en) 2003-05-30 2007-08-14 Philip Michael Lessner Electrolytic capacitor
US7499260B2 (en) 2002-09-30 2009-03-03 Medtronic, Inc. Capacitor and method for producing a capacitor
US7917217B2 (en) 2003-05-07 2011-03-29 Medtronic, Inc. Wet tantalum reformation method and apparatus
US8178242B2 (en) 2004-10-29 2012-05-15 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US8676511B2 (en) 2006-03-24 2014-03-18 Gary Jeffrey Method and system for predicting liver fibrosis and related pathologies
US9077022B2 (en) 2004-10-29 2015-07-07 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US9287580B2 (en) 2011-07-27 2016-03-15 Medtronic, Inc. Battery with auxiliary electrode
US9587321B2 (en) 2011-12-09 2017-03-07 Medtronic Inc. Auxiliary electrode for lithium-ion battery

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3331699A1 (de) * 1983-09-02 1985-03-21 Accumulatorenwerke Hoppecke Carl Zoellner & Sohn GmbH & Co KG, 5790 Brilon Sauerstoffelektrode fuer alkalische galvanische elemente und verfahren ihrer herstellung
EP0453916A1 (de) * 1990-04-20 1991-10-30 Hughes Aircraft Company Mehrschicht kathodischer Stromkollektor/Batteriehalter
DE19640926C1 (de) * 1996-10-04 1998-01-15 Dornier Gmbh Elektrode für eine elektrochemische Zelle, Elektroden-Elektrolyteinheit und zugehöriges Herstellungsverfahren
EP0833398A1 (de) * 1996-09-24 1998-04-01 PETOCA, Ltd Oberflächengraphierter Kohlenstoff, Verfahren zur Herstellung und diese verwendende Negativelektrode für Lithium-Ion-Sekundärbatterie

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3331699A1 (de) * 1983-09-02 1985-03-21 Accumulatorenwerke Hoppecke Carl Zoellner & Sohn GmbH & Co KG, 5790 Brilon Sauerstoffelektrode fuer alkalische galvanische elemente und verfahren ihrer herstellung
EP0453916A1 (de) * 1990-04-20 1991-10-30 Hughes Aircraft Company Mehrschicht kathodischer Stromkollektor/Batteriehalter
EP0833398A1 (de) * 1996-09-24 1998-04-01 PETOCA, Ltd Oberflächengraphierter Kohlenstoff, Verfahren zur Herstellung und diese verwendende Negativelektrode für Lithium-Ion-Sekundärbatterie
DE19640926C1 (de) * 1996-10-04 1998-01-15 Dornier Gmbh Elektrode für eine elektrochemische Zelle, Elektroden-Elektrolyteinheit und zugehöriges Herstellungsverfahren

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAND,R., et.al.: The Carbon Cloth Electrode. In: J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science And Technology, Jan. 1972, Vol.119, S.74 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8339769B2 (en) 2002-09-30 2012-12-25 Medtronic, Inc. Method of producing a capacitor
US7002790B2 (en) 2002-09-30 2006-02-21 Medtronic, Inc. Capacitor in an implantable medical device
WO2004032163A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-15 Medtronic, Inc. Capacitor and implantable medical device comprising such a capacitor
US7499260B2 (en) 2002-09-30 2009-03-03 Medtronic, Inc. Capacitor and method for producing a capacitor
US8346355B2 (en) 2003-05-07 2013-01-01 Medtronic, Inc. Capacitor reformation method and apparatus
US8036740B2 (en) 2003-05-07 2011-10-11 Medtronic, Inc. Wet-tantalum reformation method and apparatus
US7917217B2 (en) 2003-05-07 2011-03-29 Medtronic, Inc. Wet tantalum reformation method and apparatus
US7667954B2 (en) 2003-05-30 2010-02-23 Medtronic, Inc. Capacitor
US7256982B2 (en) 2003-05-30 2007-08-14 Philip Michael Lessner Electrolytic capacitor
WO2004109728A1 (en) * 2003-05-30 2004-12-16 Medtronic, Inc. Capacitor and method for producing a capacitor
US6842328B2 (en) 2003-05-30 2005-01-11 Joachim Hossick Schott Capacitor and method for producing a capacitor
WO2005042799A1 (en) * 2003-10-23 2005-05-12 Medtronic, Inc. Methods of producing carbon layers on titanium metal
WO2006014991A3 (en) * 2004-07-30 2006-06-29 Medtronic Inc Methods and apparatus for producing carbon cathodes
US8178242B2 (en) 2004-10-29 2012-05-15 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US9077022B2 (en) 2004-10-29 2015-07-07 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
US8676511B2 (en) 2006-03-24 2014-03-18 Gary Jeffrey Method and system for predicting liver fibrosis and related pathologies
US9287580B2 (en) 2011-07-27 2016-03-15 Medtronic, Inc. Battery with auxiliary electrode
US9587321B2 (en) 2011-12-09 2017-03-07 Medtronic Inc. Auxiliary electrode for lithium-ion battery

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