CN101443865B - 铝电解电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗短路性优异的大电容量、长寿命、低ESR的铝电解电容器。为此，本发明的铝电解电容器具有将阳极箔、第一隔膜、阴极箔及第二隔膜依次重叠并卷绕而成的电容器元件，使该电容器元件浸渍驱动用电解液并收纳于金属壳体内后，利用封口材密封金属壳体的开放端。而且，使卷绕前的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8。
Description
技术领域
本发明涉及用于各种电子设备的铝电解电容器。
背景技术
图2示出现有的铝电解电容器的结构。该图为局部剖切立体图。电容器元件19通过如下方式构成。通过将在利用蚀刻处理使实效表面积扩大的铝箔的表面利用化学转化处理形成电介质氧化膜而制成阳极箔11。对铝箔进行蚀刻处理而制成阴极箔12。介有隔膜13卷绕阳极箔11和阴极箔12。该电容器元件19中，阳极引线15及阴极引线16被分别连接于阳极箔11及阴极箔12。电容器元件19中浸渍驱动用电解液(未图示)。并且，将该电容器元件19插入到铝壳体等金属壳体18内并利用橡胶等封口材17进行密封，由此可获得现有的铝电解电容器。
对于隔膜13而言，使用采用了蕉麻、牛皮纸、大麻、针茅(esparto)等纤维素纤维的隔膜，并根据隔膜的厚度、密度等性能区分地使用。
铝电解电容器所要求的性能有大电容量、低ESR(等效串联电阻)及高可靠性。
近年来，随着AV设备和个人计算机等的数字电路的小型化、高性能化不断发展，铝电解电容器的大电容量化、低ESR化及高可靠性变得重要起来，为了改善大电容量化及ESR特性，对隔膜所使用的材料、厚度等以及驱动用电解液的高电导率化进行了研究。
另外，作为相关联的在先技术文献信息，众所周知有例如专利文献1、专利文献2。
然而，如果像现有的铝电解电容器那样，为了改善ESR特性所使用的 低密度隔膜的抗拉强度较弱。因此，在通过卷绕而制成电容器元件时会产生断裂或卷绕偏移。或者，因与阳极箔或阴极箔连接的阳极引线及阴极引线部分的应力而使隔膜变弱，从而引起短路不良、耐电压下降。
进而，当为了提高隔膜的强度而在低密度的状态下增加厚度时，除了ESR特性降低之外，电容器元件的每单位体积中的电极箔的体积也减小。其结果使得电极箔的面积减小，因此难以实现大电容量化。
专利文献1：日本特开平08-273984号公报
专利文献2：日本特开2000-173862号公报
发明内容
本发明通过解决上述现有的课题，提供一种抗短路性优异、且高温可靠性优异的大电容量、低ESR的铝电解电容器。
为此，本发明是一种具有将阳极箔、第一隔膜、阴极箔及第二隔膜依次重叠并卷绕而成的电容器元件，使该电容器元件浸渍驱动用电解液并收纳到金属壳体中后，利用封口材将金属壳体的开放端密封的铝电解电容器，使卷绕前的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8。
这样，本发明的铝电解电容器，通过使卷绕前的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜、第二隔膜的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8，卷绕前和卷绕后的隔膜的合计厚度的变化率较少。因此，阳极引线及阴极引线与隔膜接触的部分的应力得到抑制，从而可减少电容器元件卷绕制成时的短路不良和高温下长期施加电压时的短路不良，抗短路性优异。
另外，特别优选使用酸离解常数pKa为5～9的酸成分作为驱动用电解液的电解质。由此，在高温环境下由酸成分所引起的隔膜的劣化得到抑制。因此，可抑制表面安装时的高温回流焊及高温电压施加时的短路、引线的腐蚀、漏电流的增加，从而使可靠性得到提高。
另外，特别优选使用非质子性溶剂作为驱动用电解液的主溶剂。由此， 可抑制由铝电解电容器的内部所含有的驱动用电解液和吸附在隔膜上的水分所引起的压力上升，因此可改善高温下的特性稳定性，获得高温可靠性优异的效果。
附图说明
图1是本发明的铝电解电容器的局部剖切立体图。
图2是现有的铝电解电容器的局部剖切立体图。
附图标记说明
1、11 阳极箔
2、12 阴极箔
3a、3b、13 隔膜
5、15 阳极引线
6、16 阴极引线
7、17 封口材
8、18 金属壳体
9、19 电容器元件
具体实施方式
以下，利用一实施方式及附图来说明本发明的铝电解电容器。
图1是本发明的一实施方式的铝电解电容器的局部剖切立体图。图1中，电容器元件9通过以下方式构成。在通过对铝箔进行蚀刻处理使其实效表面积扩大了的表面上，形成作为阳极氧化膜的电介质氧化膜，从而制成阳极箔1。之后，将引出用的阳极引线5连接于阳极箔1。此外，对铝箔进行蚀刻处理从而制成阴极箔2。并且将引出用的阴极引线6连接于阴极箔2。将该阳极箔1、第一隔膜3a、阴极箔2及第二隔膜3b依次重叠并卷绕，由此构成电容器元件9。使该电容器元件9浸渍驱动用电解液(未图示)后，将该电容器元件9插入到铝金属壳体8内，利用封口材7将金属壳体8的开口部密封。
上述电容器元件9是以如下方式进行卷绕而成的，即，使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8。
另外，在比率B/A不到0.5的情况下，当进行卷绕时，由于引线，应力作用于隔膜3a、3b，而发生短路不良的可能性增高。
此外，如果比率B/A超过0.8，则ESR特性变差。
因此，上述比率B/A优选为0.5～0.8。
为了使上述比率B/A为0.5～0.8，如以下所说明，优化隔膜的种类、密度、基重及卷绕方法、引线的形状等。另外，此时，无需对第一隔膜3a、第二隔膜3b加以区分。另外，以下将该第一隔膜3a、第二隔膜3b简单地统称为“隔膜”。
作为隔膜的材质，可使用纤维素纤维、人造纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维等。特别是使用化学纤维或再生纤维时，纤维的形状无捻、且非中空状的纤维，难以因卷绕时的压缩而导致纤维破损，因此抗短路性及ESR特性优异。
此外，对于上述隔膜而言，为了尽可能地不阻碍驱动用电解液的离子路径，隔膜的密度范围优选0.2～1.0g/cm3的范围。当隔膜的密度不到0.2g/cm3时，虽然对ESR特性更有效，但隔膜自身的绝缘性能会降低，因此无法进一步提高抗短路性。
此外，如果隔膜的密度超过1.0g/cm3，则虽然抗短路性进一步提高，但无法实现ESR特性的进一步提高。
此外，隔膜的基重是由密度与厚度之积来表示的，通过使其基重处于4～20g/m2的范围内，可确保隔膜的机械强度，因此可抑制卷绕时的断裂，还可提高抗短路性。另外，因为可使电容器单位体积中的卷绕元件体积增大，所以可保持较多的驱动用电解液，除了有利于实现大电容量化之外，还在高温下的特性稳定化方面具有较大的效果。
卷绕方法中，为了在卷绕时不对隔膜施加过度的应力，而在卷绕开始位置处使用曲面形状的夹具。此外，通过变频控制、负载优化来控制卷绕速度、张力，由此可调整卷绕时的应力。
此外，对于引线的形状而言，可通过使用在引线的端面没有锐角的突出部分的曲面形状来谋求抗短路性的进一步提高。像通常的引线那样形成有90度的锐角的端面的引线的形状，会对隔膜施加过度的应力，因而将导致抗短路性劣化。
作为驱动用电解液的电解质，使用酸离解常数pKa为5～9的酸成分的电解质。作为pKa为5～9的酸成分，可列举丙二酸、马来酸、富马酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、二甲基马来酸、氨基苯甲酸等。另外，当使用酸离解常数pKa小于5的酸成分作为驱动用电解液的电解质的情况下，在进行高温回流焊时，电极箔、引线部分会因酸而进行腐蚀反应，导致可靠性降低。
此外，在使用酸离解常数pKa超过9的酸成分作为驱动用电解液的电解质的情况下，由于离子化的常数较小，所以导电率变低。
作为电解液的溶剂，可列举非质子性溶剂，例如内酯类(γ-丁内酯、α-戊内酯、γ-戊内酯等)、碳酸酯系(碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二乙酯、碳酸苯乙烯酯、碳酸二甲酯等)、腈系(乙腈、3-甲氧基丙腈等)、呋喃系(2，5-二甲氧基四氢呋喃等)、环丁砜系(环丁砜、3-甲基环丁砜、2，5-二甲基环丁砜等)、醚系(甲缩醛、1，2-二甲氧基乙烷、1-乙氧基-2-甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷等)、及酰胺系(N-甲基甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮等)。通过使用这些溶剂作为主溶剂，可谋求低ESR化和高温下的特性稳定化。
另外，作为上述电解质的碱基成分，可列举叔胺化合物、咪唑鎓化合物、咪唑啉鎓化合物、及吡啶鎓化合物等。通过使用这些碱基成分，可谋求高电导率化和高温下的特性稳定化。
以下，使用实施例对本实施方式进行详细说明。
(实施例1)
首先，在利用蚀刻处理使铝箔的表面粗化后，利用阳极氧化处理形成电介质氧化膜(化学转化电压为22V)，从而制成由这样得到的由铝箔构成 的阳极箔1(厚度为100μm)。将该连接有引出用的阳极引线5的阳极箔1、第一隔膜3a、阴极箔2、及第二隔膜3b依次重叠并卷绕，由此获得电容器元件9。由纤维素纤维构成的第一隔膜3a的厚度为40μm，密度为0.4g/cm3。对铝箔进行蚀刻处理，并连接引出用的阴极引线6而制成阴极箔2。阴极箔2的厚度为40μm。第二隔膜3b的厚度为40μm。此时的卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.5。对于卷绕张力进行调整以使得上述比率B/A为0.5，关于引线形状，使用在引线的端面没有锐角的突出部分的具有曲面形状的引线。
表1表示实施例及比较例中所使用的驱动用电解液的一览。
表1
| 驱动用电解液组成(重量％) | 酸离解常数 (pKa) | 溶剂种类 | |
| A | γ-丁内酯(75) 邻苯二甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓(25) | 8.40 | 非质子性溶剂 |
| B | γ-丁内酯(75) 氨基苯甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓(25) | 6.79 | 非质子性溶剂 |
| C | γ-丁内酯(75) 草酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓(25) | 4.86 | 非质子性溶剂 |
| D | γ-丁内酯(75) 琥珀酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓(25) | 9.24 | 非质子性溶剂 |
| E | 乙二醇单甲醚(75) 邻苯二甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓(25) | 8.40 | 质子性溶剂 |
本实施例1中，使用表1所示的驱动用电解液A(γ-丁内酯为75重量％、邻苯二甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓为25重量％)，并使其浸渍于电容器元件9。该驱动用电解液A的酸离解常数pKa为8.40。接着，在将电容器元件9插入到有底筒状的铝金属壳体8内后，使用由树脂硫化丁基橡胶 形成的密封材7，通过卷边处理将该金属壳体的开口部加以密封，由此制成铝电解电容器。
(实施例2)
针对实施例1，使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.65，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(实施例3)
针对实施例1，使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.80，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(实施例4)
针对实施例1，使用表1所示的驱动用电解液B(γ-丁内酯为75重量％、氨基苯甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓为25重量％、酸离解常数pKa为6.79)，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(比较例1)
针对实施例1，缓和卷绕张力，使用密度为1.0g/cm3的隔膜，使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.85，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(比较例2)
针对实施例1，引线使用锐角的端子形状的端子，且使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.45，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(比较例3)
针对实施例1，使用表1所示的驱动用电解液C(γ-丁内酯为75重量％、草酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓为25重量％、酸离解常数pKa为4.86)，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(比较例4)
针对实施例1，使用表1所示的驱动用电解液D(γ-丁内酯为75重量％、琥珀酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓为25重量％、酸离解常数pKa为9.24)，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。
(比较例5)
针对实施例1，使用表1所示的驱动用电解液E(乙二醇单甲醚为75重量％、邻苯二甲酸1，2，3，4-四甲基咪唑啉鎓为25重量％、酸离解常数pKa为8.40)，除此以外，与实施例1同样地制成铝电解电容器。另外，乙二醇单甲醚为质子性溶剂。
制作以上的实施例1～4和比较例1～5的铝电解电容器各20个，进行了其初期特性和寿命试验(105℃、16V负载、2000小时)以及高温回流焊试验。将试验结果示于表2中。另外，铝电解电容器的尺寸为直径10mm、长度10mm，电容器设计为额定电压为16V且各电容器元件具有相同的空隙率。以试验温度为105℃进行了纹波负载试验。
根据表2可知，本实施例1～4的铝电解电容器，通过使用卷绕前的隔膜的合计厚度A与卷绕后的隔膜的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8的隔膜，初期特性、高温回流焊后的特性、寿命试验后的特性(高温劣化特性)均优于比较例1～5。
比较例1的铝电解电容器，隔膜的合计厚度的比率B/A大于0.8，因此初期特性以及寿命特性均大大恶化。比较例2的铝电解电容器，隔膜的合计厚度的比率B/A小于0.5且端子形状为锐角，因此短路发生率增大。
另外，比较例3的铝电解电容器中，使用酸离解常数pKa小于5的驱动用电解液。此种情况下，由酸导致的隔膜的劣化加重，因此高温回流焊及寿命试验后的抗短路性变差。另一方面，比较例4的铝电解电容器中，使用酸离解常数pKa大于9的驱动用电解液。此种情况下，驱动用电解液的电导率变低，因此ESR特性变差。
此外，比较例5的铝电解电容器中，驱动用电解液中使用了质子性溶剂，因此热稳定性变差，从而在高温回流焊及寿命试验中电容器特性变差。
这样，本发明的铝电解电容器，通过使卷绕前的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度A与卷绕后的第一隔膜3a、第二隔膜3b的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8，卷绕前和卷绕后的隔膜厚度的变化率较小。因此，可抑制阳极引线5及阴极引线6与隔膜接触的部分的应力，从而实现抗短路性、ESR特性及高温可靠性优异的铝电解电容器。
工业利用可能性
本发明是抗短路性优异、大电容量、长寿命、低ESR特性优异的铝电解电容器，能够适应AV设备、个人计算机等的数字电路等的小型化、高性能化的要求。
Claims (6)
1.一种铝电解电容器，其特征在于，具备：
将阳极箔、第一隔膜、阴极箔和第二隔膜依次重叠并卷绕而成的电容器元件；
浸渍于所述电容器元件的驱动用电解液；
收纳有所述电容器元件和所述驱动用电解液的金属壳体；
密封所述金属壳体的开放端的封口材，
其中，使卷绕前的所述第一隔膜、第二隔膜的合计厚度A与卷绕后的所述第一隔膜、第二隔膜的合计厚度B的比率B/A为0.5～0.8。
2.根据权利要求1所述的铝电解电容器，其特征在于，
作为所述驱动用电解液的电解质，使用了酸离解常数pKa为5～9的酸成分。
3.根据权利要求2所述的铝电解电容器，其特征在于，
作为所述驱动用电解液的主溶剂，使用了非质子性溶剂。
4.根据权利要求1所述的铝电解电容器，其中，
所述第一隔膜或所述第二隔膜的至少一方的密度在0.2～1.0g/cm3的范围内。
5.根据权利要求1所述的铝电解电容器，其中，
所述第一隔膜或所述第二隔膜的至少一方的基重在4～20g/m2的范围内。
6.根据权利要求1所述的铝电解电容器，还具有与所述阳极箔连接的阳极引线和与所述阴极箔连接的阴极引线，所述阳极引线与所述阳极箔、以及所述第一隔膜或第二隔膜的接触面为曲面形状，
所述阴极引线与所述阴极箔、以及所述第一隔膜或第二隔膜的接触面也为曲面形状。
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