JP2022117355A - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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本発明の実施形態に係る電解コンデンサは、表面に誘電体層を有する陽極箔と、陰極箔と、陽極箔と陰極箔との間に介在するセパレータと、水酸基含有化合物と、導電性高分子とを含むコンデンサ素子を備える。セパレータは、合成繊維とセルロース系繊維とを含む。セパレータの表層および内部には、導電性高分子と、水酸基含有化合物とが付着している。以下、陽極箔と陰極箔とセパレータとを合わせて、「電極群」とも称する。
(I)電解コンデンサを分解し、セパレータを所定の大きさに切り取り、セパレータ試料を得る。セパレータ試料を乾燥させた後、乾燥後のセパレータ試料の質量を測定する。イオン交換水でセパレータ試料から水酸基含有化合物を抽出する。
セパレータは抄紙法により作製することができ、セパレータには、合成繊維およびセルロース系繊維を含む混抄シートを用いることができる。セパレータは、織布であってもよく、不織布であってもよい。セパレータの厚みは、例えば、20μm以上、200μm以下である。セパレータは、複数の繊維シートを重ね合わせて構成してもよい。複数の繊維シートは、互いに、種類が同じであってもよく、異なっていてもよい。
水酸基含有化合物は、糖および多価アルコールからなる群より選択される少なくとも1種の化合物であり、かつ、当該化合物は高分子を含まない。水酸基含有化合物は高分子を含まないため、セパレータの孔内に侵入しやすい。水酸基含有化合物を含む処理液は高分子を含まないため、粘度が低く、セパレータに含浸させやすい。
導電性高分子の例には、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリアセチレン、およびそれらの誘導体などが含まれる。当該誘導体には、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、およびポリアセチレンを基本骨格とするポリマーが含まれる。例えば、ポリチオフェンの誘導体には、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)などが含まれる。これらの導電性高分子は、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。また、導電性高分子は、2種以上のモノマーの共重合体でもよい。導電性高分子の重量平均分子量は特に限定されず、例えば1000~100000の範囲にあってもよい。導電性高分子の好ましい一例は、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)である。
電解コンデンサは、液状成分として非水溶媒または電解液を含有してもよい。液体成分は、室温(25℃)において液体である物質であってもよいし、電解コンデンサの使用時の温度において液体である物質であってもよい。液体成分の好ましい一例は、水酸基含有化合物が実質的に溶解しない液体である。液状成分は導電性高分子を保護する役割を有する。また、液状成分の含有により、導電性高分子と誘電体層とのコンタクト性を高めることができ、誘電体層の欠陥の修復性を高めることもできる。電解液は、導電性高分子とともに電解質として機能し得る。
陽極箔には、表面に誘電体層が形成された金属箔を用いることができる。金属箔を構成する金属の種類は特に限定されない。誘電体層の形成が容易である点から、金属箔を構成する金属の例には、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタンなどの、弁作用を有する金属、および弁作用を有する金属の合金が含まれる。好ましい一例は、アルミニウムおよびアルミニウム合金である。通常、陽極箔の表面は粗面化されており、誘電体層は粗面化された表面に形成されている。陽極箔の誘電体層は、導電性高分子(電解質)と接触している。
陰極箔には、金属箔を用いることができる。金属箔を構成する金属の種類は特に限定されない。金属箔を構成する金属の例には、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタンなどの、弁作用を有する金属、および弁作用を有する金属の合金が含まれる。好ましい一例は、アルミニウムおよびアルミニウム合金である。また、陰極箔の表面には、化成皮膜が設けられていてもよく、陰極箔を構成する金属とは異なる金属(異種金属)や非金属の被膜が設けられていてもよい。異種金属や非金属としては、例えば、チタンのような金属やカーボンのような非金属などを挙げることができる。
本発明の実施形態に係る電解コンデンサの製造方法は、コンデンサ素子中間体(以下、単に、中間体とも称する。)を得る第1工程と、中間体に導電性高分子を含む処理液を含浸させ、コンデンサ素子を得る第2工程とを含む。中間体は、表面に誘電体層を有する陽極箔と、陰極箔と、陽極箔と陰極箔との間に介在するセパレータと、セパレータの表層および内部に付着しており、かつ、セパレータにおいて偏在している水酸基含有化合物とを含む。中間体は、電極群と、水酸基含有化合物とを含むとも言える。セパレータは、合成繊維とセルロース系繊維とを含む。水酸基含有化合物は、糖および多価アルコールからなる群より選択される少なくとも1種の化合物(但し、高分子を除く)である。
(工程(1a))
第1工程の例は、陽極箔と陰極箔との間にセパレータを配置して電極群を得、電極群に水酸基含有化合物を含む処理液を含浸させる工程(1a)を含んでもよい。工程(1a)は繰り返し行ってもよい。
第1工程の例は、工程(1a)の後、水酸基含有化合物を含む処理液が含浸された電極群を、加熱乾燥する工程(2a)を含んでもよい。工程(2a)により、電極群と水酸基含有化合物とを含む中間体を得てもよい。工程(2a)は、大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよい。工程(2a)の加熱温度は、例えば100℃以上であり、120℃以上でもよく、125℃以上でもよい。水酸基含有化合物がセパレータ(コンデンサ素子)の内部に浸透しやすい観点から、工程(2a)の加熱乾燥は、水酸基含有化合物の融点以上の温度で行ってもよい。
第1工程の別の例は、水酸基含有化合物が表層および内部に付着しているセパレータを得る工程(1b)を含んでもよい。
第2工程では、中間体に導電性高分子を含む処理液を含浸させ、コンデンサ素子を得る。第2工程では、例えば、導電性高分子を含む処理液に中間体を浸漬してもよい。浸漬時間は、例えば、30秒間以上、30分間以下である。第2工程は、室温で行ってもよいし、室温以外の温度(例えば室温よりも高い温度)で行ってもよい。また、第2工程は大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよい。
電解コンデンサの製造方法は、コンデンサ素子に液状成分(非水溶媒または電解液)を含浸させる第3工程を含んでもよい。第3工程は、例えば、コンデンサ素子が収容された電解コンデンサ用の有底ケースに液状成分を注入することにより行ってもよい。非水溶媒または電解液には、上記で例示するものを用いることができる。電解コンデンサの製造方法は、コンデンサ素子が収容された有底ケースを封止する工程を含んでもよい。
以下、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
定格電圧が35Vで定格静電容量が270μFの巻回型の電解コンデンサ(直径10mm×長さ10mm)を、以下の手順で作製した。
陰極箔には、厚さ50μmのAl箔(アルミニウム箔)を用いた。
厚さ120μmのAl箔を準備した。このAl箔に直流エッチング処理を行い、表面を粗面化した。次いで、Al箔に化成処理を施して誘電体層(厚さ:約70nm)を形成することによって、陽極箔を得た。誘電体層は、アジピン酸アンモニウム溶液にAl箔を浸漬させ、Al箔に50Vの電圧を印加しながら、70℃で5時間化成処理を行うことによって形成した。その後、陽極箔を所定のサイズに裁断することによって、陽極箔を準備した。
アラミド繊維と、天然セルロース繊維と、PET繊維とを、表1に示す質量比で混抄して、不織布(セパレータ)を得た。表1中のa1~a4は、それぞれ、実施例1~4で作製したセパレータを示す。セパレータa1~a4の厚みは40μmとした。
準備した陽極箔および陰極箔に、リード線が接続された陽極リードタブおよび陰極リードタブをそれぞれ接続した。そして、陽極箔と陰極箔とを、セパレータを間に挟んで巻回し、外側表面を巻止めテープで固定した。このようにして巻回体を作製した。次に、大気中で巻回体を200℃で90分間加熱して、セパレータの炭化処理を行った。次に、巻回体を、アジピン酸アンモニウム溶液に浸漬させ、陽極箔に対して、50Vの電圧を印加しながら、70℃で60分間再度化成処理を行うことにより、主に陽極箔の端面に誘電体層を形成した。
マンニトールをイオン交換水に溶解させ、水酸基含有化合物を含む処理液としてマンニトール水溶液(濃度10質量%)を調製した。得られたマンニトール水溶液の粘度は、5mPa・s以下であった。
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、ドーパントとしてのポリスチレンスルホン酸とをイオン交換水に溶解させ、それらの混合溶液を調製した。得られた混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸鉄(III)(酸化剤)を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析して、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約5質量%のポリスチレンスルホン酸(PSS)がドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)を含む分散液(水性分散液)を得た。以下では、約5質量%のポリスチレンスルホン酸(PSS)がドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)を、「PEDOT:PSS」と称する場合がある。また、PEDOT:PSSが分散している分散液を、「PEDOT:PSS分散液」と称する場合がある。このPEDOT:PSS分散液を用いて、PEDOT:PSSの濃度が2質量%である水性分散液を、導電性高分子を含む処理液として調製した。得られた水性分散液の粘度は、25mPa・sであった。
室温で大気圧雰囲気下において、容器内のマンニトール水溶液に巻回体を5分間浸漬した後、圧力が1気圧の乾燥炉内において、巻回体を200℃で20分間乾燥させた(第1工程)。このようにして、巻回体(セパレータの表層および内部)にマンニトールを付着させ、中間体を得た。なお、マンニトールの融点は165~169℃程度であり、巻回体の乾燥温度はマンニトールの融点よりも高い。
室温で減圧雰囲気(40kPa)において、容器内のPEDOT:PSS分散液に中間体を15分間浸漬した後、圧力が1気圧の乾燥炉内において、中間体を150℃で30分間乾燥させた(第2工程)。このようにして、中間体(セパレータの表層および内部)に導電性高分子を付着させ、コンデンサ素子を得た。
有底ケース内にコンデンサ素子を収容し、室温で大気圧雰囲気下においてコンデンサ素子に液状成分を含浸させた。液状成分には、GBLとSLとの混合溶媒(質量比50:50)を用いた。
有底ケースの開口に封止部材および座板を配置してコンデンサ素子を封止した。このようにして、電解コンデンサを完成させた。その後、定格電圧を印加しながら、130℃で2時間エージング処理を行った。なお、表1中のA1~A4は、それぞれ、実施例1~4の電解コンデンサを示す。
PEDOT:PSS分散液にマンニトールを溶解させて、PEDOT:PSSおよびマンニトールの混合処理液を調製した。混合処理液において、PEDOT:PSSの濃度は2質量%とし、マンニトールの濃度は10質量%とした。混合処理液の粘度は、58mPa・sであった。
第1工程および第2工程を行わずに、室温で減圧雰囲気(40kPa)において、容器内の混合処理液に巻回体を15分間浸漬した後、圧力が1気圧の乾燥炉内で巻回体を150℃で30分間乾燥させた。このようにして、巻回体(セパレータの表層および内部)に導電性高分子およびマンニトールを付着させ、コンデンサ素子を得た。
セパレータa1の代わりに、アラミド繊維製のセパレータx1を用いた以外、実施例1と同様の方法により電解コンデンサX2を作製した。
巻回体には、比較例2と同じ、セパレータx1を含む巻回体を用いた。第1工程および第2工程を行わずに、室温で減圧雰囲気(40kPa)において、巻回体を比較例1と同じ混合処理液に15分間浸漬した後、圧力が1気圧の乾燥炉内で巻回体を150℃で30分間乾燥させた。このようにして、巻回体(セパレータの表層および内部)に導電性高分子およびマンニトールを付着させ、コンデンサ素子を得た。
上記で得られたコンデンサ素子を用いて、実施例1と同様の方法により電解コンデンサX3を作製した。
セパレータa1の代わりに天然セルロース繊維製のセパレータx2を用いた以外、実施例1と同様の方法により電解コンデンサX4を作製した。
[破壊耐電圧]
1.0V/秒のレートで昇圧しながら電圧を印加し、0.5Aの過電流が流れる破壊耐電圧(BDV)(V)を測定した。
20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、初期の静電容量(C0)(μF)およびESR(R0)(mΩ)を測定した。
150℃の環境下において、定格電圧である35Vを印加した状態で500時間放置し、負荷試験を行った。500時間経過後、上記と同様の方法でESR(R1)を測定した。 R0に対するR1の比:R1/R0を算出し、ΔESRとした。
8種類のコンデンサをそれぞれ30個ずつ作製し、上記と同じ負荷試験を行った。500時間経過後の各コンデンサについて、短絡の有無を確認した。そして、30個のコンデンサのうち短絡しているコンデンサの個数を確認し、その割合をショート発生率として求めた。
Claims (22)
- 表面に誘電体層を有する陽極箔と、陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に介在するセパレータと、水酸基含有化合物と、導電性高分子とを含むコンデンサ素子を備え、
前記セパレータは、合成繊維と、セルロース系繊維とを含み、
前記セパレータの表層および内部には、前記導電性高分子と、前記水酸基含有化合物とが付着しており、
前記水酸基含有化合物は、糖および多価アルコールからなる群より選択される少なくとも1種の化合物(但し、高分子を除く)であり、
前記セパレータにおいて、前記水酸基含有化合物が偏在している、電解コンデンサ。 - 前記コンデンサ素子において、前記セパレータの内部における前記導電性高分子に対する前記水酸基含有化合物の質量比MIは、前記セパレータの表層における前記導電性高分子に対する前記水酸基含有化合物の質量比MOよりも大きい、請求項1に記載の電解コンデンサ。
- 前記質量比MIに対する前記質量比MOの比:MO/MIは、0.7以上、0.9以下である、請求項2に記載の電解コンデンサ。
- 前記合成繊維は、アラミド、ポリエチレンテレフタレート、およびビニロンからなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記合成繊維は、フィブリル化されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記水酸基含有化合物は、グルコース、マンニトール、ソルビトール、キシリトール、ペンタエリトリトール、およびトリメチロールプロパンからなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記導電性高分子は、ポリスチレンスルホン酸がドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記コンデンサ素子は、非水溶媒または電解液を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 表面に誘電体層を有する陽極箔と、陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に介在するセパレータと、前記セパレータの表層および内部に付着しており、かつ、前記セパレータにおいて偏在している水酸基含有化合物とを含む中間体を得る第1工程と、
前記中間体に導電性高分子を含む処理液を含浸させ、前記コンデンサ素子を得る第2工程と、を含み、
前記セパレータは、合成繊維と、セルロース系繊維とを含み、
前記水酸基含有化合物は、糖および多価アルコールからなる群より選択される少なくとも1種の化合物(但し、高分子を除く)である、電解コンデンサの製造方法。 - 前記第1工程は、前記陽極箔と前記陰極箔との間に前記セパレータを配置して電極群を得、前記電極群に前記水酸基含有化合物を含む処理液を含浸させる工程(1a)を含む、請求項9に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記第1工程は、前記工程(1a)の後、前記水酸基含有化合物を含む処理液が含浸された前記電極群を、前記水酸基含有化合物の融点以上の温度で加熱乾燥する工程(2a)を含む、請求項10に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記第1工程は、前記セパレータを炭化処理する工程を含む、請求項9~11のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記第1工程は、
前記水酸基含有化合物が表層および内部に付着している前記セパレータを得る工程(1b)と、
前記工程(1b)の後、前記陽極箔と前記陰極箔との間に前記セパレータを配置する工程(2b)と、
を含む、請求項9に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記工程(1b)は、前記セパレータに前記水酸基含有化合物を含む処理液を含浸させる工程(1b-1)を含む、請求項13に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記工程(1b)は、前記工程(1b-1)の後、前記水酸基含有化合物を含む処理液が含浸された前記セパレータを、前記水酸基含有化合物の融点以上の温度で加熱乾燥する工程(1b-2)を含む、請求項14に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記工程(2b)の後、前記セパレータを炭化処理する工程を含む、請求項15に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記工程(1b)は、前記合成繊維と前記セルロース系繊維とを混抄して前記セパレータを得る混抄工程を含み、
前記混抄工程で前記水酸基含有化合物を添加する、請求項13~16のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記コンデンサ素子に非水溶媒または電解液を含浸させる第3工程を含む、請求項9~17のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記合成繊維は、アラミド、ポチエチレンテレフタレート、およびビニロンからなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項9~18のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記合成繊維は、フィブリル化されている、請求項9~19のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記水酸基含有化合物は、グルコース、マンニトール、ソルビトール、キシリトール、ペンタエリトリトール、およびトリメチロールプロパンからなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項9~20のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記導電性高分子は、ポリスチレンスルホン酸がドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)を含む、請求項9~21のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
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