3 wichtige Dinge über Tantalkondensatoren

Einführung

Tantal (Ta) ist ein seltenes, hartes, blaugraues und glänzendes Übergangsmetall, das sehr korrosionsbeständig sowie wärme- und elektrisch leitfähig ist. Es hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen aggressives Königswasser unter 150°C. Aufgrund seiner guten physikalischen und chemischen Eigenschaften wird Tantal vor allem in der Elektronik, in Legierungen und anderen Bereichen eingesetzt. Abbildung 1 zeigt die Produktlieferungen von Tantal im Jahr 2016 [1]. Das meiste Tantal wird in Kondensatoren als Anoden verwendet, die zur Elektronik gehören, und andere werden hauptsächlich in Legierungen, Chemikalien und Sputtertargets verwendet. Im Jahr 2021 werden etwa 70 % der Nachfrage nach Tantal aus der Elektronikindustrie stammen: Anoden für Kondensatoren, Halbleitertargets und Sinterauskleidungen für Anoden [2]. Lassen Sie uns zunächst über Tantal-Kondensatoren sprechen.

Abbildung 1: Produktlieferungen von Tantal im Jahr 2016 [1]

Wie wird ein Tantalkondensator hergestellt?

Genau wie andere Kondensatoren besteht ein Tantalkondensator aus drei Komponenten: einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt. Zur Herstellung der Anode werden reines Tantalpulver und Drähte verwendet.

Indem man Tantalpulver um einen Tantaldraht herum presst, erhält man eine "Pellet"-Form von Tantal. Anschließend wird das Pellet bei etwa 1200 bis 1800℃ gesintert, um Verunreinigungen zu entfernen. Während dieses Prozesses nimmt das Pulver auch eine poröse Struktur an, was seinen Kapazitätswert erhöhen kann. Mit anderen Worten: Tantalkondensatoren haben einen höheren Kapazitätswert/Volumen im Vergleich zu anderen Kondensatoren wie z. B. Aluminiumkondensatoren.

Nach dem Sintern wird außerhalb der Tantalpartikeloberflächen ein Dielektrikum gebildet, indem die äußere Tantalschicht in Ta2O5 umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird Anodisierung genannt. Die Dicke des Dielektrikums steht in direktem Zusammenhang mit der Spannungsfestigkeit der Kondensatoren. Jeder Kondensator sollte eine Sicherheitsmarge in der Oxidschichtdicke haben, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten.

Der letzte Schritt besteht darin, eine Kathode außerhalb des Dielektrikums hinzuzufügen. Bei nassen Tantalkondensatoren wird ein flüssiger Elektrolyt zum Eintauchen des Tantalteils verwendet, und die nassen Tantalkondensatoren sind von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse und der flüssige Elektrolyt dienen als Kathode im nassen Tantalkondensator. Beim festen Tantalkondensator wird die Anode in eine Mn(NO3)2-Lösung getaucht und bei etwa 250℃ gebrannt, so dass sich eine MnO2-Schicht außerhalb des Dielektrikums bildet. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis sich eine ausreichend dicke MnO2-Schicht außerhalb des "Pellets" gebildet hat. Dann taucht man es in Graphit und Silber, um eine gute Verbindung zwischen der MnO2-Kathode und dem externen Kathodenanschluss herzustellen. Abbildung 2 gibt einen kurzen Überblick über den Tantal-Kondensator.

Abbildung 2: Querschnitt eines Tantal-Feststoffkondensators

Vorteile und Nachteile von Tantalkondensatoren

Vorteile

Tantalkondensatoren haben im Vergleich zu Aluminiumkondensatoren oder Keramikkondensatoren bessere Frequenzeigenschaften und eine längere Lebensdauer. Ihr äquivalenter Serienwiderstand ist auch kleiner, was bedeutet, dass größere Ströme mit weniger Wärme durch den Kondensator fließen können. Darüber hinaus bieten Tantalkondensatoren, wie bereits erwähnt, die höchste Kapazität pro Volumen. Dank dieser Vorteile sind Tantalkondensatoren in elektronischen Bereichen wie Laptops, Smartphones usw. sehr beliebt.

Nachteile

Tantalkondensatoren sind jedoch nicht so weit verbreitet wie Aluminiumkondensatoren, keramische Vielschichtkondensatoren (MLCCs) oder sogar Niobkondensatoren. Ein Grund dafür ist, dass das Angebot und der Preis von Tantalmetall unbeständig sind. In einigen Fällen werden MLCCs als Ersatz für kleine Tantalkondensatoren und Aluminiumkondensatoren als Ersatz für große Tantalkondensatoren verwendet.

Da sie gepolt sind, können Tantalkondensatoren nur mit Gleichstrom und nicht mit Wechselstrom verwendet werden. Wenn die Anoden bei Spannungsspitzen mit den MnO2-Kathoden in Berührung kommen, kann es bei Tantalkondensatoren außerdem zu gefährlichen Ausfällen kommen, z. B. zu einer chemischen Reaktion, die Rauch und Flammen erzeugt. Um dies zu verhindern, sollten Tantalkondensatoren zusammen mit Strombegrenzern oder Thermosicherungen verwendet werden.

Anwendungen von Tantalkondensatoren

Tantalkondensatoren werden hauptsächlich wegen ihrer höchsten Kapazität/Volumen, ihrer guten Stabilität und ihrer hervorragenden Frequenzeigenschaften verwendet. Tantalkondensatoren können aufgrund ihrer zeitlich stabilen Kapazität Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in militärischen Anwendungen ersetzen. Auch in der Medizinelektronik werden Tantalkondensatoren aufgrund dieses Vorteils eingesetzt. Unter den elektronischen Produkten verwenden Desktop-PCs und Notebooks die größte Menge an Tantalkondensatoren. Und überraschenderweise werden in Smartphones und Mobiltelefonen im Vergleich dazu nur sehr wenige Tantalkondensatoren verwendet.

Tantal-Recycling

Mit dem zunehmenden Verbrauch von Tantalprodukten fallen große Mengen tantalhaltiger Abfälle an. Die Produktionsabfälle bei der Herstellung von Superlegierungen und Sputtertargets sowie die Abfälle aus der Elektronikindustrie am Ende ihrer Lebensdauer haben erheblich zugenommen. Im Gegensatz dazu wird die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage nach Tantal immer größer. Um diese Lücke zu schließen, beginnt sich das Recycling von Tantalabfällen wieder zu entwickeln.

Das Recycling kann in zwei Bereiche unterteilt werden: das Recycling vor dem Verbrauch und das Recycling nach dem Verbrauch [3]. Der größte Teil des Tantals wird aus Schrott aus der Vorproduktion recycelt, da dieser nur wenig verunreinigt ist und wenig Schwierigkeiten bereitet. Das vorverbrauchende Recycling kann den gesamten Produktionsprozess mit der Entstehung von mineralischen Abfällen effizient verbessern. Die Tantalkonzentration, die Reinigungskosten, die Größe und die Wirtschaftlichkeit sind die wichtigsten Faktoren, die die Recyclingstrategien beeinflussen.

Das postkonsumative Recycling von Tantal hat sich aufgrund der geringen Konzentration von Tantal im Vergleich zu anderen Metallen wie Cu und Au nicht sehr gut entwickelt. Bei pyrometallurgischen Tantalprodukten ist der Prozess des Recyclings nach dem Verbrauch von Tantal sehr kompliziert. Kleinere Tantalkondensatoren verschlimmern diese Situation noch. Es sollte weiter geforscht werden, um ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren für das Recycling von Tantalprodukten nach dem Verbrauch zu entwickeln.

Zitat

1. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Globale Markttrends für Tantal und Recyclingmethoden für Tantalabfallkondensatoren: A review, Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
2. Zogbi, D. M. (2021, Mai 10). Die Tantal-Lieferkette: Update des globalen Marktes 2021. TTI, Inc. Abgerufen am 4. Januar 2023, von https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html
3. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Globale Markttrends für Tantal und Recyclingmethoden für Tantalabfallkondensatoren: A review, Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.