JP4082405B2

JP4082405B2 - アルミニウム電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4082405B2
Application number: JP2004335656A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎椿; 裕之松浦; 浩一郎湊; 宗宏諸隈; 幸弘新田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: JP2005051272A

Description

本発明は引火点を有しない低温特性に優れる高含水率な電解液を用いることにより構成した、高温下で長時間使用した場合でも外観変化、特性劣化の少ない信頼性の高いアルミニウム電解コンデンサに関するものである。

従来のアルミニウム電解コンデンサは図１に示すように、エッチング処理による表面拡大化処理の後、陽極酸化処理により誘電体層を形成したアルミニウム箔を陽極箔２とし、この陽極箔２と陰極箔３の間にマニラ麻、クラフト紙等のセパレータ４を介在させた状態で巻回したものに、駆動用電解液（以下電解液という）を含侵させてコンデンサ素子１を形成し、これを有底筒状のアルミニウムケース５に挿入した後、アルミニウムケース５の開口部をゴムからなる封口材６で封口することにより構成されている。上記電解液は粗面化された陽極箔２に密着することにより静電容量を引き出し、さらに電解液の有する化成能力によりアルミニウム酸化皮膜の誘電体層を補修できることから漏れ電流を低く維持できるなどの機能を担っている。また、電解液のもつ特性の中でも特に電気伝導度はコンデンサのインピーダンス性能に大きな影響を及ぼす。

以上の観点より、特に保証温度１０５℃以上の定格電圧１００Ｖ以下の低圧級の低インピーダンスのアルミニウム電解コンデンサには、低温特性と化成性に優れるγ−ブチロラクトンを溶媒とし、フタル酸やマレイン酸の４級アンモニウム塩を電解質とする電気伝導度の高い、高温中でも安定な電解液が用いられてきた。

なお、本発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開昭６２−１４５７１３号公報特開昭６２−１４５７１５号公報

しかしながら上記γ−ブチロラクトン溶媒にフタル酸やマレイン酸の４級アンモニウム塩を溶解した電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサを、湿度の高い雰囲気下で連続通電使用した場合、陰極部で強アルカリ成分が生成し、特に陰極リードやそれに接する封口材６を侵食することによりコンデンサ外部へ電解液が漏出するといった問題が起こる恐れのあるものであった。

このような問題を回避するためには、通電時でもアルカリ生成の少ない電解液、すなわちエチレングリコールおよび水を溶媒とし、アジピン酸アンモニウム等のアンモニウム塩を電解質とした電解液を用いることが有効である。

また、γ−ブチロラクトン溶媒を用いた電解液は１００℃前後の引火点を有するため、電子機器の異常動作等によりアルミニウム電解コンデンサに異常電圧や逆電圧が印加されて安全弁が作動し、万一電解液が噴出した際にも発火の危険性がないとは言い切れなかった。

一方、保証温度８５℃で定格電圧１００Ｖ以下の低圧級のアルミニウム電解コンデンサにおいては、電解液の溶媒にエチレングリコールに電気伝導度を高めることを目的に加えられる水との混合溶媒を用い、アジピン酸アンモニウム等のアンモニウム塩を電解質とする電解液を用いることができるが、この種の電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサにおいては、溶媒成分の１つである水の沸点（１００℃）以上の温度において長期に電気性能を維持することが困難であり、例えば、温度１１０℃の定格電圧印加試験においてはアルミニウムと水との水和反応の結果生じる多量の水素ガスの影響による内圧上昇のために、１０００時間以内に底面部の安全弁が作動したり、温度１１０℃の無負荷放置試験においては、１０００時間以内に初期漏れ電流値に対する試験後の漏れ電流値の変化率が＋５０００％を越えるなどの不具合が生じていた。

これらの問題を解決するため、電極箔と水との水和反応を抑制する目的で電解液に種々の燐系化合物を添加する方法や、発生した水素ガスを吸収する目的でガス吸収剤として種々のニトロ化合物を添加するなどの方法が提案されているが、これらの方法を用いても含水率が２０％を越えるような高含水率な電解液を用いて、１００℃以上の温度において長期にコンデンサの電気性能を維持することは困難であった（定格電圧が１００Ｖを越えるような高圧級のコンデンサにおいては、誘電体である酸化皮膜が厚く強固であるために、含水率が２０〜２５％程度の電解液を用いれば、１００℃以上の温度において１０００〜２０００時間程度は電気性能が安定な場合はあり得るが、定格電圧１００Ｖ以下のコンデンサにおいては酸化皮膜が薄いために、これらの問題点は十分に解決されていない。）。

また更には、含水率が２０％以上の電導度の高い電解液を１００℃以上の温度で長期に使用する場合においては、含水率が２０％未満の低含水率の電解液では問題とならなかった封口ゴム中の塩素が原因となり、長時間の高温中負荷試験において陽極アルミニウムリードの腐食を引き起こし、結果として漏れ電流が増大したり、陽極アルミニウムリードの腐食断線を招く場合があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、高信頼性のアルミニウム電解コンデンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、電極としてアルミニウム箔を用いたコンデンサ素子と、含水率が２０〜９０ｗｔ％であり１，７−オクタンジカルボン酸アンモニウムまたは（化１）、（化２）のいずれかを含む２種類以上の有機カルボン酸のアンモニウム塩を含有してなる駆動用電解液と、この駆動用電解液を含浸した前記コンデンサ素子を収納する有底筒状のケースと、このケースの開口部を封止する封口材を備え、前記駆動用電解液の凝固点は、−１０℃以下であり、前記封口材の含有塩素量は、封口材重量に対して１００ｐｐｍ以下であり、かつ、前記セパレータ、電極箔、封口ゴム、ケースのいずれかをリン化合物または（化３）〜（化８）に示す中から選ばれるシリコーン化合物で処理した、２０℃、１００ｋＨｚにおけるインピーダンスに対する−１０℃、１００ｋＨｚのインピーダンス比が４以下である定格電圧１００Ｖ以下のアルミニウム電解コンデンサとしたものである。

以上のように本発明によれば、高温下で長時間使用した場合でも外観変化、特性劣化が少ない上、電子機器の異常作動等によりアルミニウム電解コンデンサに異常電圧や逆電圧が印加されて安全弁が作動し、万一電解液が噴出した際にも発火の危険性も少ない、低温特性に優れる高含水率の電解液を用いることにより、信頼性の高い上、インピーダンス性能並びにその低温特性に優れる定格電圧１００Ｖ以下のアルミニウム電解コンデンサを構成することができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、電極としてアルミニウム箔を用いたコンデンサ素子と、含水率が２０〜９０ｗｔ％であり１，７−オクタンジカルボン酸アンモニウムまたは（化１）、（化２）のいずれかを含む２種類以上の有機カルボン酸のアンモニウム塩を含有してなる駆動用電解液と、この駆動用電解液を含浸した前記コンデンサ素子を収納する有底筒状のケースと、このケースの開口部を封止する封口材を備え、前記駆動用電解液の凝固点は、−１０℃以下であり、前記封口材の含有塩素量は、封口材重量に対して１００ｐｐｍ以下であり、かつ、前記セパレータ、電極箔、封口ゴム、ケースのいずれかをリン化合物または（化３）〜（化８）に示す中から選ばれるシリコーン化合物で処理した、２０℃、１００ｋＨｚにおけるインピーダンスに対する−１０℃、１００ｋＨｚのインピーダンス比が４以下である定格電圧１００Ｖ以下のアルミニウム電解コンデンサとしたものであり、信頼性が高く、しかも電子機器の異常動作等によりアルミニウム電解コンデンサに異常電圧や逆電圧が印加されて安全弁が作動し、万一電解液が噴出した際にも発火の危険性の少ない、インピーダンス特性並びにその低温特性に優れたアルミニウム電解コンデンサを提供できるという作用を有する。

なお、電解液の含水率が２０％未満の範囲では低温での電気伝導度が十分に発現できないので、２０℃、１００ｋＨｚにおけるインピーダンスに対する−１０℃、１００ｋＨｚのインピーダンス比が４を越えるので好ましくない。また含水率が９０％を越える範囲では、電解液の凝固点が−１０℃より高い温度となる場合があるので、前記した２０℃でのインピーダンス性能を確保することはできるが、コンデンサの低温側での保証温度範囲が−１０℃以上となり保証範囲が狭まるので好ましくない。

また、含有塩素量が封口材重量に対して１００ｐｐｍを越える封口材を使用してコンデンサを構成すると、１００℃以上の温度において定格電圧試験を行った際に、封口ゴムより遊離した塩化物が電解液に含まれる多量の水によりイオンに解離し、その結果、高温下で陽極アルミニウムリードを腐食させるので好ましくない。

請求項２に記載の発明は、駆動用電解液は、リン化合物を０．０１ｗｔ％以上含有してなる請求項１に記載のアルミニウム電解コンデンサとしたものである。

次に、本発明について具体例を挙げて説明する。

（表１）、（表２）、（表３）に本発明の実施の形態１〜２５および比較例１〜８の電解液組成、使用したセパレータのリン化合物もしくはシリコーン化合物付着量、使用した電極箔のリン化合物もしくはシリコーン化合物付着量、使用した封口材の含有塩素量、封口材の硬度および表面処理したシリコーン化合物、アルミニウムケースの底面厚みおよびアルミニウムケース内面に処理を行った化合物を示す。

本発明の実施の形態１〜２５の電解液の引火点をクリーブランド開放式法で測定した結果、１２８℃〜１３４℃の温度範囲において試験炎が消えることが確認されたことにより、これらの電解液は引火点を有さない。また、本発明の実施の形態１〜２５の電解液を−３０℃の温度に設定した低温恒温槽中で２４時間放置した結果、性状の変化は確認されなかったことにより、電解液の凝固点が−１０℃以下であることも確認された。

なお、（表１）、（表２）中に記載の（化１）〜（化８）の化学式は以下に示すものである。

（表４）〜（表７）に本発明の実施の形態１〜２５および比較例１〜８の電解液を用いて構成したアルミニウム電解コンデンサの２０℃／１００ｋＨｚにおけるインピーダンスに対する−１０℃／１００ｋＨｚのインピーダンス比、温度１１０℃で１０００時間の定格電圧印加および無負荷放置試験後の製品底面部の膨れ量、漏れ電流の変化率、封口ゴムより透過した溶媒の透過量、陽極アルミニウムリードの腐食性および封口ゴムの状態を示す。なお、本試験に供したアルミニウム電解コンデンサは、定格電圧６．３Ｖ−静電容量５６０μＦ（サイズ：φ８×１１Ｌ）および定格電圧５０Ｖ−静電容量１５００μＦ（サイズ：φ１６×３５．５Ｌ）の２種類である。また、セパレータ（マニラ麻繊維材質）、電極箔および封口ゴム（樹脂加硫したイソブチレンイソプロピレンラバー［ブチルゴム］材質）のリン化合物もしくはシリコーン化合物の付着処理については、任意濃度のリン化合物もしくはシリコーン化合物の水溶液中にセパレータ、電極箔および封口ゴムを浸漬処理した後、１００℃中で１時間乾燥処理を行った。また、封口ゴム中の塩素量については、三菱化学（株）製の全塩素分析装置（品番：ＴＳＸ−１０）により測定を行い、封口ゴムの重量当たりの塩素量に換算して示した。

（表４）〜（表７）の結果から、本発明のアルミニウム電解コンデンサは、インピーダンス比も低く、１１０℃中の寿命試験においてもアルミニウムケースの底面部の膨れ量（Ｌ寸変化）および漏れ電流値の変化率が少なく、かつ陽極アルミニウムリードの腐食性、封口ゴムの飛び出しもないことが判る。

本発明の一実施の形態を含むアルミニウム電解コンデンサの構成を示す一部切欠斜視図

符号の説明

１コンデンサ素子
２陽極箔
３陰極箔
４セパレータ
５アルミニウムケース
６封口材

Claims

電極としてアルミニウム箔を用いたコンデンサ素子と、含水率が２０〜９０ｗｔ％であり１，７−オクタンジカルボン酸アンモニウムまたは（化１）、（化２）のいずれかを含む２種類以上の有機カルボン酸のアンモニウム塩を含有してなる駆動用電解液と、この駆動用電解液を含浸した前記コンデンサ素子を収納する有底筒状のケースと、このケースの開口部を封止する封口材を備え、前記駆動用電解液の凝固点は、−１０℃以下であり、前記封口材の含有塩素量は、封口材重量に対して１００ｐｐｍ以下であり、かつ、前記セパレータ、電極箔、封口ゴム、ケースのいずれかをリン化合物または（化３）〜（化８）に示す中から選ばれるシリコーン化合物で処理した、２０℃、１００ｋＨｚにおけるインピーダンスに対する−１０℃、１００ｋＨｚのインピーダンス比が４以下である定格電圧１００Ｖ以下のアルミニウム電解コンデンサ。
駆動用電解液は、リン化合物を０．０１ｗｔ％以上含有してなる請求項１に記載のアルミニウム電解コンデンサ。