CN101283421A - 电解电容器 - Google Patents
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Abstract
一种电解电容器，其具有电容器元件和浸渗到该电容器元件中的电解液。电容器元件由电子管金属组成的阳极、含有铜且被蚀刻的阴极以及夹在阳极和阴极之间的隔膜构成。电解液包含唑环化合物与铜离子的络盐。
Description
技术领域
本发明涉及用于各种电子设备的电解电容器。
背景技术
正在进行电子设备的小型化、轻重量化。而且，电子设备组装时的焊接温度有上升的趋势。为此，要求用于电子设备的铝电解电容器小型化且大电容化，并具有不产生电解液渗漏或短路的热稳定性。
高温时会产生电解液从铝电解电容器中渗漏的情况。高温时，阴极用铝箔或与该铝箔连接的引线与电解液会产生电化学反应。由此，在引线附近的电解液中氢氧化物增加。认为由于此碱化引起的封口构件恶化是电解液渗漏的原因。
此外，为了实现小型且大电容化，需要通过蚀刻处理扩大阴极的表面积。为此，通常将含有0.1～0.5％的铜的铝箔用于阴极。但是，阴极所含的铜溶出到电解液中，并再沉淀，则发生短路。
国际公开第95/15572号手册公开由使烷基取代脒基(amidine group)与羧酸组成的脒盐(amidine salt)作为电解质溶解在含有γ-丁内脂的溶剂中的电解液作为渗漏少的电解液。而且，该电解液显示出铝电解电容器的低温特性得到提高，且热稳定性优良。但是，在将含有铜的铝箔用于阴极的情况下，特别是在高温高湿的环境下，此种铝电解电容器发生上述短路。
另一方面，日本特开平2-77109号公报公开通过向由含有乙二醇等的溶剂组成的电解液中添加乙二胺四乙酸，与从铝箔溶出的铜形成络盐(complex salt)，防止铜的再沉淀的技术。但是，由于乙二胺四乙酸也与溶出到电解液中的铝离子形成络盐，因此会发生不能完全防止由于铜的溶出-再沉淀引起的短路的情况。
发明内容
本发明通过防止电解液的渗漏，并改善由于在阴极中存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路，提供一种大电容、可靠性高的电解电容器。本发明的电解电容器具有电容器元件和浸渗到该电容器元件中的电解液。电容器元件由电子管金属组成的阳极、含有铜且被蚀刻的阴极、夹在阳极和阴极之间的隔膜构成。电解液包含唑环化合物与铜离子的络盐。电解液中的唑环化合物选择性地与铜形成络盐，该络盐稳定地存在于电解液中，因此抑制了由于溶解的铜从阴极的再沉淀引起的短路。并且，利用唑环化合物抑制了电解液的渗漏。
附图说明
图1是本发明实施方式的铝电解电容器的剖面图。
图2是本发明实施方式的铝电解电容器的局部剖切立体图。
附图标记说明
1、2 引线
3 电容器元件
3A 阳极
3C 阴极
3S 隔膜
4 封装外壳
5 封口构件
6 封装树脂
具体实施方式
图1是表示本发明实施方式的铝电解电容器的结构的剖面图，图2是同一电容器的局部剖切立体图。通过将阳极箔3A和阴极箔3C相对并间隔隔膜3S卷绕而构成电容器元件3。阳极3A由铝箔组成，在通过蚀刻处理扩大了有效表面积的表面上，通过阳极氧化形成电介质氧化膜。此外，阳极3A连接有引出用引线1。阴极3C由含有铜并被蚀刻处理的铝箔组成，并连接引出用引线2。电容器元件3中浸渗有未图示的电解液，并被插入到铝制有底外壳4内，外壳4的开口部被封口构件5密封。另外，外壳4被封装树脂6覆盖。
本实施方式的电解电容器的电解液包含唑环化合物(azole ringcompound)与铜离子的络盐。通过该结构，电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐能够防止阴极3C的铝箔所含的铜的溶出-再沉淀。并且，利用唑环化合物抑制了电解液的渗漏。因此，能够制作具有大电容、可靠性高的电解电容器。
唑环化合物与铜离子的络盐被预先添加到电解液中。除此之外，也可以是调制添加了唑环化合物的电解液，当该电解液浸渗到电容器元件3中时，使其与阴极3C所含的铜反应，从而络盐包含在电解液中。
作为具体的唑环化合物，包括咪唑、1-甲基咪唑、苯并咪唑、苯并三唑、1-乙基咪唑(1-ethyl imidazole)。这些可以单独使用，也可以混合两种以上使用。
此外，优选电解液中包含0.01重量％以上2.0重量％以下的浓度的唑环化合物与铜离子的络盐。不足0.01重量％时，络盐较少，因此不能充分抑制由于铜的溶出-再沉淀引起的短路。此外，若超过2.0重量％，则电解液的电导率下降，从而电解电容器的等效串联电阻增加。
用于电解液的溶剂中，优选为以导电率高且低温特性良好的γ-丁内脂为主要溶剂的电解液，或者，以水为主要溶剂的含水类电解液。此外，也可以将γ-丁内脂作为主要溶剂，以水或乙二醇、丙三醇(甘油)等乙醇类、环丁砜作为副溶剂混合。这种混合溶剂优选包含30重量％以上70重量％以下的γ-丁内脂。副溶剂含量超过70重量％，则电解液的电化学稳定性下降，从而电压施加时的电解电容器的内压上升变大，不能得到充分的耐漏液性。
此外，用于以水为主要溶剂的电解液中的副溶剂优选是乙二醇。这种混合溶剂优选包含35重量％以上的水。也可以将不包含副溶剂的水用于溶剂。
作为电解液的电解质，能够使用包含无机酸、有机酸、无机酸盐、有机酸盐中的一种以上的酸或其盐。其中，优选硼酸、磷酸、甲酸、壬二酸、己二酸、戊二酸、苯二甲酸、马来酸、苯甲酸、5，6-癸烷二羧酸、1，7-辛烷二羧酸、1，6-癸烷二羧酸等二价酸或其盐。作为上述盐，能够使用铵盐、胺盐、季铵盐、脒类盐等。
其中，更优选使用电化学稳定的苯二甲酸或马来酸与具有烷基取代脒基的化合物的盐，或其混合物。将苯二甲酸、马来酸用于电解质，则电压施加时的气体产生量小，抑制了电解电容器的内压上升，得到充分的耐漏液性。
并且，根据需要也可以在电解液中混合各种添加剂。通过添加添加剂能够调整电解液中的腐蚀电流的值。作为添加剂，包括磷化合物(磷酸、磷酸酯等)、硼化合物(硼酸、硼酸脂、硼酸盐[硼酸铵等])、硼酸与多糖类[甘露醇、山梨醇等]的络化合物等)、硝基化合物(p-硝基苯酚、m-硝基苯酚、o-硝基苯酚、p-硝基苯甲酸、m-硝基苯甲酸、o-硝基苯甲酸、3-硝基邻苯二甲酸、4-硝基邻苯二甲酸等)、有机酸(马来酸、o-邻苯二甲酸、苯甲酸、己二酸、间羟苯甲酸等)。在这些物质中优选容易使阴极反应变化的硝基化合物。
此外，作为封口构件5优选耐化学药品性佳的丁基橡胶。丁基橡胶的硫化方法已知有过氧化物硫化、树脂硫化、以及醌硫化等。此外，混合在丁基橡胶中的填充剂已知有硅酸铝或碳酸钙等无机化合物。也可以使用任一个硫化方法以及混合了任一个填充剂的丁基橡胶。但是，将硫磺用于硫化剂的硫磺硫化丁基橡胶由于在高温时的弹性率显著下降，因此不能得到充分的耐漏液性。
下面，使用具体的示例对本实施方式的效果进行说明。
(第一实施例)
首先，对样品1的电解电容器的制作顺序进行说明。通过蚀刻处理使铝箔的表面粗糙化，之后通过阳极氧化处理，形成电介质氧化膜(形成电压15V)，制成阳极3A。另一方面，对量产的铜含量是0.3％的铝箔进行蚀刻处理，制成阴极3C。接着，通过使阳极3A和阴极3C之间插入为马尼拉纸与牛皮纸的混抄纸的、厚度为50μm、称重为40g/m2的隔膜3S，并卷绕，制成电容器元件3。
接着，使用1-甲基咪唑作为唑环化合物，使含有0.005重量％的唑环化合物与铜离子的络盐的电解液浸渍到电容器元件3中。此处，电解液包含25重量％的邻苯二甲酸四甲基咪唑鎓(tetramethyl ammoniumphthalate)、3重量％的p-硝基苯甲酸、1重量％的磷酸单丁酯(monobutylphosphoester)，其余部分由γ-丁内脂构成。
并且，将电容器元件3插入外壳4后，通过卷边处理，用树脂硫化丁基橡胶密封构件5密封外壳4的开口部。密封构件5的组成是30重量％的丁基橡胶聚合物、20重量％的碳、50重量％的无机填充剂，硬度为70IRHD[国际橡胶硬度单位]。这样制成额定电压10V、静电电容330μF、直径8.0mm、高11.5mm的电解电容器，作为样品1。
除了改变样品1的制作中的电解液中唑环化合物与铜离子的络盐的浓度，其他与样品1相同地制作样品2～6。此外，使不含唑环化合物与铜离子的络盐的电解液浸渍于电容器元件3中，制成比较样品1。
如上所述，分别准备样品1～6和比较样品1各20个，在温度85摄氏度、相对湿度90％的环境下，无负载地进行2000小时的可靠性试验。并且，试验结束后，调查各样品有无液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。各样品的规格和评价结果示于(表1)中。
表1
| 1-甲基咪唑与铜离子的络盐混合量(重量％) | 高温高湿试验中液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品1 | 0.005 | 1 | 2 |
| 样品2 | 0.01 | 0 | 0 |
| 样品3 | 0.1 | 0 | 0 |
| 样品4 | 1.0 | 0 | 0 |
| 样品5 | 2.0 | 0 | 0 |
| 样品6 | 2.5 | 0 | 0 |
| 比较样品1 | 0 | 5 | 15 |
由(表1)可知，样品1～6的电解液中包含1-甲基咪唑与铜离子的络盐，由于作为唑环化合物的1-甲基咪唑的共振稳定性(resonancestabilization)，该络盐以稳定状态存在于电解液中。由此，能够抑制铜从阴极3C溶出-再沉淀。其结果是，能够利用唑环化合物防止高温-高湿环境下电解液的渗漏，并且还能抑制由于阴极3C表面上存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路。
电解液中的1-甲基咪唑与铜离子的络盐不足0.01重量％的样品1中，由于络盐较少，因此发生由于铜的沉淀引起的短路。此外，多于2.0重量％的样品6中，没有由于铜的沉淀引起的短路，但是由于电解液的传导率下降，电解电容器的等效串联电阻增大。如上所述，电解液中的1-甲基咪唑与铜离子的络盐的浓度优选为0.01重量％以上2.0重量％以下。
(第二实施例)
本实施例的样品7～12中，除了使用苯并三唑作为唑环化合物，并使用使电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐的含量变化的电解液之外，其他与第一实施例相同地制作电解电容器。样品13～18中，使用咪唑作为唑环化合物。样品19～24中，使用苯并咪唑作为唑环化合物。并且，对样品7～24实施与第一实施例相同的可靠性试验，试验结束后，调查有无电解电容器的液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。各样品的规格和评价结果示于(表2)～(表4)中。
表2
| 苯并三唑与铜离子的络盐混合量(重量％) | 高温高湿试验中液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品7 | 0.005 | 1 | 2 |
| 样品8 | 0.01 | 0 | 0 |
| 样品9 | 0.1 | 0 | 0 |
| 样品10 | 1.0 | 0 | 0 |
| 样品11 | 2.0 | 0 | 0 |
| 样品12 | 2.5 | 0 | 0 |
表3
| 咪唑与铜离子的络盐混合量(重量％) | 高温高湿试验中液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品13 | 0.005 | 1 | 2 |
| 样品14 | 0.01 | 0 | 0 |
| 样品15 | 0.1 | 0 | 0 |
| 样品16 | 1.0 | 0 | 0 |
| 样品17 | 2.0 | 0 | 0 |
| 样品18 | 2.5 | 0 | 0 |
表4
| 苯并咪唑与铜离子的络盐混合量(重量％) | 高温高湿试验中液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品19 | 0.005 | 1 | 2 |
| 样品20 | 0.01 | 0 | 0 |
| 样品21 | 0.1 | 0 | 0 |
| 样品22 | 1.0 | 0 | 0 |
| 样品23 | 2.0 | 0 | 0 |
| 样品24 | 2.5 | 0 | 0 |
由(表2)～(表4)可知，本实施例的电解电容器中，电解液中含有唑环化合物与铜离子的络盐。由此，能够利用唑环化合物防止高温-高湿环境下电解液的渗漏，并且还能抑制由于阴极3C表面上存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路。
电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐不足0.01重量％的样品7、13、19中，由于络盐较少，因此发生由于铜的沉淀引起的短路。此外，多于2.0重量％的样品12、18、24中，没有由于铜的沉淀引起的短路，但是由于电解液的传导率下降，电解电容器的等效串联电阻增大。如上所述，电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐的浓度优选为0.01重量％以上2.0重量％以下。
(第三实施例)
本实施例的样品25～28中，在调制电解液的过程中，混合作为唑环化合物的1-甲基咪唑，使其含量变化。使该电解液浸渍到电容器元件中，通过老化(aging)中的加热处理，使其与阴极3C表面上存在的铜反应，除此之外，与第一实施例相同地制作电解电容器。同样地，样品29～32中，在调制电解液的过程中，混合作为唑环化合物的苯并三唑。在调制电解液的过程中，在样品33～36中混合作为唑环化合物的咪唑。在调制电解液的过程中，在样品37～40中混合作为唑环化合物的苯并咪唑。此处，电解液包含25重量％的邻苯二甲酸四甲基咪唑鎓、3重量％的p-硝基苯甲酸、1重量％的磷酸单丁酯，其余部分由γ-丁内脂构成。并且，对样品25～40进行与第一实施例相同的可靠性试验，试验结束后，调查有无电解电容器的液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。此外，在90摄氏度，施加电压12V下，经过一小时的老化后，测定电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐的含量。各样品的规格和评价结果示于(表5)～(表8)。
表5
表6
表7
表8
由(表5)～(表8)可知，本实施例的电解电容器中，由于电解液中的唑环化合物和阴极3C的铜反应，电解液中包含唑环化合物与铜离子的络盐。为此，利用唑环化合物，高温-高湿环境下的电解液的渗漏被防止，并能够抑制由于阴极3C表面上存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路。
络盐含量不足0.01重量％的样品25、29、33、37中，由于络盐较少因此产生由于铜的沉淀引起的短路。为此，电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐的含量优选在0.01重量％以上。
另外，利用蚀刻条件，阴极3C中包含的铜被去除，因此，本实施例中，电解液中不能含有0.5重量％以上的络盐。
(第四实施例)
本实施例中，使用包含25重量％的邻苯二甲酸四甲基咪唑鎓、3重量％的p-硝基苯甲酸、1重量％的磷酸单丁酯，作为副溶剂的45重量％的环丁砜，其余部分由作为主要溶剂的γ-丁内脂构成的电解液。并且，样品41中使用1-甲基咪唑作为唑环化合物，样品42中使用苯并三唑，样品43中使用咪唑，样品44中使用苯并咪唑。任一样品中，电解液中的唑环化合物与铜离子的络盐的含量均为0.01重量％。除此之外，与第一实施例相同地制作电解电容器。
此外，比较样品2中，使用45重量％的环丁砜作为副溶剂，并使用不含唑环化合物与铜离子的络盐的电解液，除此之外，其他与样品41相同地制作电解电容器。
并且，对样品41～44、比较样品2实施与第一实施例相同的可靠性试验，试验结束后，调查有无电解电容器的液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。各样品的规格和评价结果示于(表9)中。
表9
| 电解液中的环状唑化合物 | 高温高湿试验中的液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品41 | 1-甲基咪唑 | 0 | 0 |
| 样品42 | 苯并三唑 | 0 | 0 |
| 样品43 | 咪唑 | 0 | 0 |
| 样品44 | 苯并咪唑 | 0 | 0 |
| 比较样品2 | - | 4 | 13 |
*电解液中的环状唑化合物与铜离子的络盐量：0.01重量％
由(表9)可知，电解液包含环丁砜作为副溶剂，电解液中含有唑环化合物与铜离子的络盐的样品41～44中，利用唑环化合物，高温-高湿环境下的电解液的渗漏被防止。并且，能够抑制由于阴极3C表面上存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路。
(第五实施例)
本实施例的样品45中，向样品1的电解液中混合0.1重量％的1-甲基咪唑与铜离子的络盐和0.1重量％的苯并三唑与铜离子的络盐。另外，电解液包含25重量％的邻苯二甲酸四甲基咪唑鎓、3重量％的p-硝基苯甲酸、1重量％的磷酸单丁酯，其余部分由γ-丁内脂构成。除此之外，其他与第一实施例相同地制成电解电容器，实施与第一实施例相同的可靠性试验，试验结束后，调查有无电解电容器的液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。样品45的规格和评价结果示于(图10)中。
表10
| 电解液中的环状唑化合物 | 高温高湿试验中的液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品45 | 1-甲基咪唑0.1重量％+苯并咪唑0.1重量％ | 0 | 0 |
由(表10)可知，本实施例的电解电容器中，即使电解液中的唑环化合物由1-甲基咪唑和苯并三唑两种物质作成，也能得到与第一实施例相同的效果。另外，未表示出试验结果，但是若电解液中的唑环化合物为咪唑、1-甲基咪唑、苯并咪唑、苯并三唑中的两种以上，则能够得到相同效果。
(第六实施例)
本实施例中，使用副溶剂的20重量％的乙二醇和作为主要溶剂的水作为电解液。具体的是，电解液包括5重量％的1，7-辛烷二羧酸铵、105重量％的己二酸铵、3重量％的p-硝基苯甲酸、1重量％的次磷酸铵、20重量％的乙二醇，其余部分由水构成，样品46中，构成0.01重量％的、作为唑环化合物的1-甲基咪唑与铜离子的络盐。样品47中，使用苯并三唑，样品48中使用咪唑，样品49中使用苯并咪唑作为唑环化合物。
此外，作为比较样品3，使用20重量％的乙二醇作为电解液的副溶剂，并使用不含唑环化合物与铜离子的络盐的电解液，除此之外，其他与样品46相同地制作电解电容器。
并且，对样品46～49、比较样品3进行与第一实施例相同的可靠性试验，试验结束后，调查有无电解电容器的液体渗漏和由于铜沉淀引起的短路。各样品的规格和评价结果示于(表11)。
表11
| 电解液中的环状唑化合物 | 高温高湿试验中的液体渗漏数量 | 短路发生数量 | |
| 样品46 | 1-甲基咪唑 | 0 | 0 |
| 样品47 | 苯并三唑 | 0 | 0 |
| 样品48 | 咪唑 | 0 | 0 |
| 样品49 | 苯并咪唑 | 0 | 0 |
| 比较样品3 | - | 11 | 18 |
*电解液中的环状唑化合物与铜离子的络盐量：0.01重量％
由(表11)可知，使用乙二醇作为副溶剂，使用水作为主要溶剂，电解液中包含唑环化合物与铜离子的络盐的样品46～49中，利用唑环化合物防止了高温-高湿环境下的电解液的渗漏。并且，能够抑制由于阴极3C表面上存在的铜的溶解-再沉淀引起的短路。
另外，上述实施方式中，以间隔隔膜3S卷绕阳极3A和阴极3C的类型的电解电容器为例进行说明，但电极结构不限定于此。即使对于板状的阳极与阴极相对的类型的电解电容器，为了提高高温环境下的可靠性，也优选使用本发明的电解液。此外，阴极3C、阳极3A的主要材料不限定于铝。阳极3A中也可以使用钽或铌等电子管金属(valve metal)。若阴极3C是包含用于促进蚀刻的铜的导体，则没有特别的限定。此外，本发明不被上述实施方式限定。
工业利用可能性
本发明的电解电容器中，电解液中的唑环化合物选择性地与铜形成络盐，该络盐以稳定的状态存在于电解液中。由此，能够防止由于铜从阴极的溶解-再沉淀引起的短路和电解液的渗漏。该电解电容器用于经由回流焊工艺安装在各种电子设备上。
Claims (6)
1、一种电解电容器，其具备电容器元件和电解液，其中，
所述电容器元件包括：
由电子管金属组成的阳极；
含有铜且被蚀刻的阴极；以及
夹在所述阳极和所述阴极之间的隔膜，
所述电解液浸渗到所述电容器元件中，并且含有唑环化合物与铜离子的络盐。
2、根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述唑环化合物包含咪唑、1-甲基咪唑、苯并咪唑、苯并三唑中的至少一种。
3、根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述电解液包含0.01重量％以上、2.0重量％以下的唑环化合物与铜离子的所述络盐。
4、根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述电解液中作为溶剂包含γ-丁内脂、γ-丁内脂与环丁砜的混合物、水与乙二醇的混合物中的任一物质。
5、根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述阳极、所述阴极的主要材料是铝。
6、根据权利要求1所述的电解电容器，其中，
所述电容器元件是卷绕所述阳极、所述阴极以及所述隔膜而构成的。
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