miniatur|Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit geöffneten Sollbruchstellen im Becher, an denen eingetrocknete Elektrolytreste sichtbar sind miniatur|Blick auf eine geöffnete Sollbruchstelle mit eingetrockneten Resten des Elektrolyten miniatur|Elkos mit ausgedrücktem Gummistopfen und aufgeblähtem Becher mini|rechts|Brandstelle auf einer Platine, verursacht durch ausgelaufenen Elektrolyten, der zum Kurzschluss zwischen Leiterbahnen geführt hat. Als Capacitor Plague (deutsch ‚Kondensatorpest‘) oder auch badcapsBadcaps.Net, Forum (deutsch ‚schlechte Kondensatoren‘) wurde das vorzeitige massenhafte Ausfallen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten bezeichnet, das Ende 1999 begann, überwiegend Elektrolytkondensatoren taiwanischer Herstelleropencircuits.com: (englisch) betraf und in den Jahren 2002 bis 2007 zu hohen Ausfallraten bei PC-Motherboards, Stromversorgungen, LCD-Monitoren und vielen weiteren elektronischen Geräten führte. Die Ausfälle wurden durch wassergetriebene Korrosion verursacht und konnten auf einen fehlerhaften Elektrolyten zurückgeführt werden. Die damit hergestellten problembehafteten taiwanischen Kondensatoren waren nach statistischen Berechnungen insgesamt bis Ende 2007 ausgefallen.
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten, die nach Ende 2007 und später mit ähnlichen Erscheinungsformen wie die „Capacitor Plague“ in Geräten auffällig werden und zu Fehlfunktionen des Gerätes geführt haben, werden aber mit großer Wahrscheinlichkeit ihr durch Austrocknung bedingtes natürliches Lebensdauerende erreicht haben. Erscheinungsbilder dieser Art sind bei Elkos, die mit einem sehr hohen Wasseranteil im Elektrolyten arbeiten, nicht ungewöhnlich.
Möglicher Grund: Industriespionage Die massenhaften Ausfälle von Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten, kurz „Elkos“ genannt, in den Jahren 1999 bis 2007 beruhen auf millionenfach fehlerhaft hergestellten Kondensatoren aus taiwanischen Produktionenmolalla.net: mehrerer Hersteller, die überwiegend in PCs, auf Mainboards, PC-Netzteilen, in LCD-Monitore und in Stromversorgungen eingesetzt waren und vorzeitig schon nach einigen Monaten Betrieb ausfielen. Viele der eingesetzten Elkos waren mit der Lebensdauer (load life) von 2000 h/105 °C spezifiziert. Bei einer durchschnittlichen Innentemperatur eines PCs von 45 °C und einem Rippelstrom, der der Datenblattspezifikation entspricht, haben diese Kondensatoren eine Lebensdauererwartung von etwa 15 Jahren Dauerbetrieb. Bei einem Ausfall nach 1,5 bis 2 Jahren kann wirklich von „vorzeitig“ gesprochen werden.
Die Ausfallbilder waren durchaus spektakulär, geplatzte Elko-Becher, herausgedrückte Gummistopfen und ausgelaufener Elektrolyt fanden sich auf unzähligen Platinen. Viele namhafte Gerätehersteller wie Dell, Cisco, Intel, Asus und Abit mussten Rückrufaktionen durchführen oder Reparaturkosten wegen dieser Elkos übernehmen.Heise online, 14. April 2005, Mainboardhersteller steht für Elko-Ausfall gerade Auch viele Reparaturanweisungen zur Selbsthilfe sind im Internet zu finden.Explains the basics of replacement capacitor selection and how to replace capacitors Capacitor Replacement Video Tutorial in HDCapacitor Lab Repair and bad capacitor information site
Als wahrscheinliche Ursache der fehlerhaften Elko-Produktion wird Industriespionage in Zusammenhang mit dem Diebstahl einer Elektrolytformel angesehen.siliconchip.com.au: (englisch) Ein Elektrolytentwickler hat vermutlich beim Wechsel von Japan nach Taiwan die chemische Zusammensetzung für einen neuen niederohmigen, preiswerten, wasserhaltigen Elektrolyten mitgenommen und dann versucht, diesen Elektrolyten in Taiwan nachzubauen, um ihn dann preiswerter als die Japaner verkaufen zu können. Doch offensichtlich wurde die Formel nur unvollständig kopiert, es fehlten wichtige Substanzen zur Absicherung der Langzeitstabilität der Kondensatoren.
Entwicklung von Elkos mit Elektrolytsystemen auf Wasserbasis
Der erste Elektrolytkondensator überhaupt war ein Aluminium-Elektrolytkondensator mit einem flüssigen Elektrolyten, erfunden durch Charles Pollak im Januar 1896. Vom Prinzip her sind die „Elkos“ bis heute gleich geblieben. Auf einer Aluminiumanode befindet sich das durch Formierung aufgewachsene, sehr dünne Dielektrikum aus Aluminiumoxid. Der flüssige Elektrolyt passt sich der Struktur des Dielektrikums an, bildet die Kathode des Kondensators und macht somit die dünne Schichtdicke des Dielektrikums wirksam. Ein Abstandshalter aus Papier verhindert eine direkte Berührung der Oxidschicht mit einer zweiten Aluminiumfolie (Kathodenfolie), der Stromzuführung, zum flüssigen Elektrolyten und speichert diesen auch. Verschlossen und mit Anschlüssen versehen ergibt dieser Aufbau die milliardenfach in elektronischen Geräten eingesetzten, preiswerten und im Allgemeinen recht zuverlässigen „Elkos“.
Der Elektrolyt als Ionenleiter verursacht einen großen Teil der ohmschen Verluste im Elko. Große Anstrengungen wurden im Laufe der Jahre unternommen, um diese Verluste zu reduzieren, damit die „Stromtragfähigkeit“ (Rippelstrom) erhöht werden kann, denn ohne solche Verbesserungen lassen sich Abmessungsverkleinerungen nicht realisieren.
In Japan wurden im Rahmen dieser Entwicklungen Mitte der 1980er Jahre neue, niederohmige Elektrolyte auf Wasserbasis entwickelt, deren Leitfähigkeit gegenüber Elektrolyten mit organischen Lösungsmitteln deutlich verbessert war. Wasser ist mit seiner recht hohen Permittivität von ε = 81 ein wirkungsvolles Lösungsmittel für Elektrolyte. Als solches löst es Salze, die dem Elektrolyten erst seine Leitfähigkeit geben, in hoher Konzentration. Die hohe Konzentration der im Elektrolyten dissoziierten Ionen hat die bessere Leitfähigkeit zur Folge. Aber Wasser reagiert mit ungeschütztem Aluminium recht heftig. Es wandelt dabei in einer stark exothermen Reaktion Aluminium (Al) in sein Hydroxid (Al(OH)3) um. Dieses geht mit einer starken Wärme- und Gasentwicklung im Elko einher und kann bis zum Platzen des Kondensators führen. Deshalb war das Hauptproblem bei der Entwicklung des neuen wasserhaltigen Elektrolyten die Aggressivität des Wassers gegenüber Aluminium in den Griff zu bekommen, damit die Kondensatoren auch eine hinreichend gute Langzeitstabilität besitzen.
Der japanische Hersteller Rubyconhttp://www.rubycon.co.jp/en/products/ war Ende der 1990er Jahre führend auf dem Gebiet der Entwicklung neuer wasserhaltiger Elektrolytsysteme mit verbesserter Leitfähigkeit. 1998 brachte Rubycon die „Z-Serie“ mit den beiden Baureihen ZL und ZA die ersten Kondensatoren auf den Markt, die mit einem Elektrolyten mit einem Wassergehalt von etwa 40 % arbeiteten und für einen weiten Temperaturbereich von −40 bis +105 °C geeignet waren.Shigeru Uzawa, Akihiko Komat-u, Tetsushi Ogawara, Rubycon Corporation,
Die erzielte Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten ergibt sich aus einem Vergleich zweier Kondensatoren, die beide einen Kapazitätswert von 1000 µF bei der Nennspannung 16 V mit der Baugröße DxL = 10 mm × 20 mm besitzen. Die Kondensatoren der Rubycon-Baureihe YXG, die mit einem Elektrolyten auf der Basis eines organischen Lösungsmittels versehen sind, können bei einer Impedanz von 46 mΩ mit einem Rippelstrom von 1400 mA belastet werden. Kondensatoren der Baureihe ZL mit dem neuen wasserhaltigen Elektrolyten können dagegen bei einer Impedanz von 23 mΩ mit dem Rippelstrom von 1820 mA belastet werden, eine Steigerung um 30 %.
Andere Hersteller wie Nippon Chemi-ConNCC, ECC, Nichicon, Elna usw. folgten dann kurze Zeit später. Die neuen Serien wurden als „Low ESR-“ oder auch „Low-Impedance-“, „Ultra-Low-Impedance-“ oder „High-Ripple-Current-Elkos“ angepriesen. Der hart umkämpfte Markt in der digitalen Datentechnik und den Stromversorgungen griff diese neue Entwicklung schnell auf, denn durch die Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten konnten die Elkos nicht nur eine höhere Rippelstrombelastung verkraften, sie wurden auch noch preiswerter, da Wasser recht preisgünstig ist. Besser und auch noch billiger, für die Massenprodukte wie PCs, DVD-Player und Stromversorgungen war das Kostenargument ausschlaggebend.
Aluminiumoxid – stabiles Dielektrikum und Korrosionsschutz mini|rechts|Anodenoberfläche eines unbenutzten Elkos mit Blick auf die Öffnungen der Poren in der Anode Der Elektrolyt in einem Elektrolytkondensator ist elektrisch gesehen die eigentliche Kathode des Kondensators. Er ist auf der anderen Seite aber auch eine Chemikalie, eine Säure oder eine Lauge, die chemisch inert sein muss, damit der Kondensator, dessen Bestandteile aus Aluminium bestehen, langfristig stabil bleibt. Aluminium aber ist ein sehr unedles, sich leicht mit Sauerstoff verbindendes Metall. Und wasserhaltige Säuren verhalten sich recht aggressiv gegenüber dem Aluminium. Nur eine stabile Aluminiumoxidschicht Al2O3 auf der Oberfläche des Metalls und sogenannte Inhibitoren oder Passivatorenecadigitallibrary.com: Alfonso Berduque, Zongli Dou, Rong Xu, BHC Components Ltd (KEMET), Electrochemical Studies for Aluminium Electrolytic Capacitor Applications: Corrosion Analysis of Aluminium in Ethylene Glycol-Based Electrolytes im Elektrolyten schützen Aluminium vor aggressiven Reaktionen mit dem Wasser und verhindern eine vom Wasser getriebene Korrosion. Die Problematik von wasserhaltigen Elektrolytsystemen liegt also in der Beherrschung der Aggressivität des Wassers gegenüber Aluminium.
Diese Problematik zieht sich durch die Entwicklung von Elektrolytkondensatoren schon über viele Jahrzehnte. Denn schon die ersten technisch benutzten Elektrolyte Mitte des 20. Jahrhunderts waren Gemische aus Ethylenglycol und Borsäure. Aber schon bei diesen sogenannten Glycol-Elektrolyten trat eine ungewollte chemische Kristallwasser-Reaktion auf, nach dem Schema: Aus „Säure + Alkohol“ wird „Ester + Wasser“.
In einem zunächst wasserfreien Elektrolyten entsteht ein Veresterungswasser mit einem Wasseranteil von bis zu 20 %. Diese Elektrolyte waren ursprünglich nur für einen eingeschränkten Temperaturbereich von −25 bis +85 °C geeignet. Sie hatten eine spannungsabhängige Lebensdauer, da durch die Aggressivität des Wassers vor allem bei höheren Temperaturen durch korrosive EffekteK. H. Thiesbürger: Der Elektrolyt-Kondensator., S. 88–91, 4. Auflage, Roederstein, Landshut 1991 (). der Reststrom bei ansteigender Spannung exponentiell anstieg und über den damit verbundenen erhöhten Elektrolytverbrauch eine schnellere Austrocknung erfolgte. Auch neuere Glycol-Elkos, die keine korrosiven Effekte mehr haben, weisen noch eine geringe Abhängigkeit der Lebensdauer von der anliegenden Spannung auf.jianghai-europe.com: Sam G. Parler, Cornell Dubilier, Deriving Life Multipliers for Electrolytic Capacitors (PDF; 524 kB)
Wasser andererseits liefert aber auch den Sauerstoff bei der Selbstheilung des Elkos, beim Nachformieren des Anodenoxids, dem Dielektrikum des Kondensators. Denn abhängig vom pH-Wert und der Temperatur können während Lagerzeiten Ionen aus dem Elektrolyten in das Oxid des Dielektrikums diffundieren und die Kristallstruktur verändern. Es können dadurch einerseits elektrische Fehlstellen im Oxid entstehen und andererseits kann dadurch das Dielektrikum geschwächt werden, was zu einer Verringerung des Isolationswiderstandes führt. Beide Effekte führen beim Anlegen einer Spannung zu einem erhöhten Reststrom, der jedoch durch Neubildung von Aluminiumoxid wieder zurückgeht. Dieser normale Vorgang der Nachformierung erfolgt in zwei Reaktionsschritten. Zunächst wandelt es in einer stark exothermen Reaktion Aluminium (Al) in sein Hydroxid Al(OH)3 um: 2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2 ↑
Diese Reaktion wird beschleunigt durch ein hohes elektrisches Feld und durch hohe Temperaturen und geht einher mit einem Druckaufbau im Kondensator durch das freiwerdende Wasserstoffgas.