CN1677590A - 导电性高分子复合体和使用该复合体的固体电解电容器 - Google Patents
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Abstract
通过将导电性高分子与离子性高分子复合体化,提供电导率优异且其高电阻化物的耐电压高的导电性高分子复合体、和以该导电性高分子复合体作为固体电解质层的实现了低ESR化和高耐电压化的固体电解电容器。
Description
技术领域
本发明涉及用于各种电子机器中的导电性高分子复合体和使用该复合体的固体电解电容器。
背景技术
近年来,导电性高分子被应用于许多领域。例如,在电子机器的领域中,可以考虑作为防带电膜、有机晶体管的导电材料等。另外,从商业化的观点出发,作为固体电解电容器(以后称作SEC)的固体电解质层被广泛使用。特别地,该SEC多使用于电源电路、个人电脑等的CPU的周围,作为可以实现小型化的同时实现对应高频率化的低ESR的电容器是有用的。
另一方面,该SEC具有所谓的耐电压的电气特性,该耐电压有赖于介电被覆膜的厚度。例如在铝SEC中,因为介电被覆膜是通过阳极氧化形成的,所以介电被覆膜的厚度与阳极氧化的电压成比例而变厚。因此,阳极氧化的电压越高,则介电被覆膜变得越厚,所以耐电压也有变高的倾向。
这样的现有的SEC的基本构造,由由阀金属构成的阳极、在该阀金属上形成的介电被覆膜、和由形成在该介电被覆膜上的导电性高分子构成的固体电解质层而构成。一般来说,导电性高分子以其单体被使用。在特开2003-158043号公报中公开了具有这样构成的SEC的例子。
另外,也有使用导电性高分子与树脂的组合的情况,其目的是防止组装时的机械应力和包装时或装备时的热应力导致的漏电的增加,减低不良短路。在特开平11-16783号公报中公开了这样的例子。
但是,也已知用在上述以往的构成中因漏电所导致的发热而产生高电阻化。由该高电阻化生成的高电阻化物的耐电压低,所以因情况不同有时也导致短路,特别地在要求高额定电压的电路中成为了重要的课题。
另外,将该导电性高分子用作SEC的固体电解质层时,也有所谓的使漏电特性恶化的课题。
发明内容
本发明提供导电性高分子与离子性高分子的复合体的导电性高分子复合体。该导电性高分子复合体具有导电性优异、且其高电阻化物的耐电压高的特征。
进而,将该导电性高分子复合体作为固体电解质层的固体电解电容器不仅可以实现低ESR化,还可以实现优异的耐电压特性。
附图的简单说明
图1为表示在本发明的实施方式1的导电性高分子复合体的膜的耐电压试验中的电压-电流特性的特性图。
图2为表示在本发明的实施方式1的导电性高分子复合体中的离子性高分子的添加量与电导率的关系的特性图。
图3为表示在本发明的实施方式1的导电性高分子复合体中的离子性高分子的添加量与耐电压的关系的特性图。
图4为在本发明的实施方式2中的SEC的示意剖面图。
图5为在本发明的实施方式2中的SEC的特性图。
发明的最佳实施方式
下面使用附图来说明本发明的实施方式。附图为示意图,不是正确显示各位置关系的。
另外,本发明中的导电性高分子复合体是指将导电性高分子与离子性高分子复合体化而成的复合体。
(实施方式1)
在实施方式1中,对本发明的导电性高分子复合体和使用该复合体的固体电容器(SEC)进行说明。
一般来说,用于SEC中的导电性高分子,是使用吡咯或噻吩或它们的衍生物,采用利用氧化剂的氧化反应来进行聚合的化学聚合法,或利用电化学反应的电解聚合法来形成的。这时,在化学聚合中由于在溶液内的能够到达的地方发生反应,所以很难获得用于评价的导电性高分子的膜。
另一方面,在电解聚合中只在溶液内的电极上发生聚合反应,在电极上生成导电性高分子的膜,所以使用其生成的导电性高分子的膜可以进行特性的评价。因此,在实施方式中通过电解聚合制作导电性高分子的膜,并对其进行评价。
为了调制本发明的导电性高分子复合体,有必要使导电性高分子与离子性高分子复合体化。该复合体化中使用的离子性高分子,是指在溶液中解离成离子状态的高分子。例如,将聚丙烯酸溶解在纯水中时,解离为带有巨大的电荷的高电荷离子和带有相反符号的小电荷的多数的相反离子。
作为具有这些性质的离子性高分子,有聚丙烯酸或聚马来酸的均聚物或共聚物等。
使用这些高分子,如以下所述那样操作,使其复合化。在将吡咯聚合制造作为导电性高分子的主链的聚合吡咯时,在溶液中使其与上述离子性高分子复合体化。
这里,对复合体化进行说明。复合体化有以下三种情况。第一为化学地成为导电性高分子的掺杂剂而结合的情况,第二为物理地成为高分子链缠绕那样的构造的情况,第三为上述两种情况复合化的状态。
向现有的导电性高分子通电时,发生因发热引起的脱掺杂剂或因氧化反应导致的导电性高分子的高电阻化。而且,将这种以往的导电性高分子作为固体电介质层使用的固体电解电容器的耐电压特性不太高。
与此相对,根据本发明,通过使用将导电性高分子与离子性高分子复合体化的导电性高分子复合体,可以提高高电阻化的高电阻化物膜的耐电压。进而,如果将该导电性高分子复合体作为SEC的固体电介质层使用,既不会使ESR特性降低,而且可以提高耐电压。
另外,可以认为在复合体化中,离子性高分子作为掺杂剂起作用的情况和以物理混合的状态存在的两种情况,在任何情况中都可以得到相同的效果。
另外,通过使用离子性高分子,由于该高分子也可以起到导电性高分子的掺杂剂的作用,因此容易与导电性高分子链进行复合体化。
另外,在电解聚合法的情况下,离子性高分子由于其电荷而被吸引到电极附近,所以更容易复合体化。
另外,通过将上述离子性高分子与选自聚烯烃、聚醚、聚乙烯醇(PVA)中的任何一种形成共聚物,在提高导电性高分子复合体的的膜的附着力的同时,可以使导电性高分子复合体被高电阻化的高电阻化物的耐电压进一步提高。
而且,在使用该导电性高分子复合体的SEC中,可以进一步提高电容器元件的耐电压。
下面对本发明的导电性高分子复合体的制作方法进行说明。
首先,向各自的容器中加入98ml水,使1.6g烷基萘磺酸钠(以后称作SNS)溶解于这些水中。
接着,分别适量加入表1中示出的作为离子性高分子的聚马来酸、聚丙烯酸和马来酸与丙烯酸的共聚物,使相对于上述溶液固体组份成为1%重量,并使其溶解。进一步,分别加入1.6g乙醇、2.68g吡咯,并混合溶解(实施例1~实施例3)。
另外,向实施例1的水溶液中,作为与离子性高分子形成共聚物的高分子(以下简称高分子A),适量添加聚烯烃、聚醚和PVA,使其作为固体组分成为1%重量,并使其溶解(实施例4~实施例6)。
这里,SNS为导电性高分子的掺杂剂,通过在导电性高分子与掺杂剂之间发生电荷移动,而发现导电性。在本实施方式中使用钠盐,但也可以使用烷基萘磺酸。另外,代替SNS也可使用芳香族磺酸和脂肪族磺酸和它们的衍生物。作为在此使用的芳香族的例子,一般使用具有苯、萘、蒽、芘、联苯、三联苯、呋喃、吡咯、噻吩、吡啶等骨架的化合物。进一步,除这里列举的以外,也可以使用满足休克尔规则的具有π电子的芳香族化合物。
另外,掺杂剂的磺酸基没有必要是一个。可以为磺酸基为两个的二磺酸及其衍生物,磺酸基为三个的三磺酸及其衍生物,磺酸基为四个的四磺酸及其衍生物等。将具有多个这样的磺酸基的化合物用于掺杂剂时,通过掺杂剂导电性高分子链之间成为交联状构造,机械强度提高。另外,由于在多处掺杂,所以难以发生脱搀杂,耐热性也提高。
另外,在芳香族环中也可以存在磺酸基以外的取代基。例如,如果存在空间上体积大的取代基,则脱掺杂被抑制,所以有望提高耐热性。另外,如果带有可形成氢键取代基的话,可以通过氢键抑制脱掺杂。另外,取代基具有双键或环氧基的那样的反应性部位时,通过使其反应性部位之间相互反应,或通过使用别的化合物使反应性部位交联,也可以使导电性高分子膜的强度提高。
另外,在本实施方式中使用吡咯作为导电性高分子的单体,但也可以使用吡咯衍生物或噻吩及其衍生物。通过使用这些化合物,也可以获得高导电性、高耐热性、高机械强度、可溶性等的特性。
另外,乙醇是为使吡咯的溶解性提高而加入的。
接着,在这些水溶液中作为电极设置两片镍板并使两片镍板不接触,通过在两片镍板之间施加30分钟3.0V的电压使其进行电解聚合。这样,在阴极的镍板上形成了导电性高分子复合体的膜。
之后,将阳极侧的镍板洗净并干燥后,从镍板上剥离导电性高分子复合体的膜作为测定用的样品。
这时,注意不要使两片镍板接触,使厚度30μm、宽7.5mm的镍板只露出70mm的长度的镍的表面,其他部分贴上胶布来绝缘,使导电性高分子复合体的膜只在镍板的露出部分上生成。
另外,在本实施方式中,用3.0V的电压进行电解聚合,但也可以施加与此不同的电压。但是,如果电压变得过高则作为副反应的水的电解剧烈发生,获得均质的导电性高分子的膜变得困难。另一方面,如果电压过低则电解聚合变得不可能发生。根据使用的装置,作为电压可以为从1V到5V左右的范围。另外,实际的反应不是由电压而是由电位决定的,所以优选正确地用电极的电位来控制。进行该电位控制时,以银-氯化银电极作为参比电极,这时的阳极电位优选为从0.6V到2V的范围。
另外,在本实施方式中用控制电压来进行,而用电流控制法也是可能的。如果使用该电流控制法进行电解聚合,则使导电性高分子的生成摩尔数相等变得容易,可以制造高均质的导电性高分子复合体的膜。
另外,在本实施方式中,在室温下进行电解聚合,但也可以在低温或高温下进行。在低温下进行时,在控制溶液的挥发的方面变得有利,可以延长溶液的寿命。但是,如果在溶液的熔点以下进行则溶液冻结,反应变得不稳定或不能进行,所以有注意的必要。另外,在高温下进行时,溶液的挥发被促进,但是可以加速反应。如本实施方式那样将水作为溶剂时,优选为从0℃到50℃左右的温度范围。另外作为溶剂,如果使用在有机合成等中使用的THF等,那么冷却至-100℃左右也是可能的。
进一步,电解聚合后的洗涤优选充分进行。洗涤不充分时,未反应的单体或掺杂剂等的溶质有可能附着在生成的导电性该分子复合体上。
由于该附着物污染表面,所以有可能给电导率的测定带来不良影响。另外还有可能促进导电性高分子复合体的劣化。
另外,干燥有必要在不发生导电性高分子复合体的分解或脱掺杂的温度范围内进行。优选为在可能低的温度下进行,但如果考虑生产性等则优选从室温到200℃的范围。
接着,作为比较例,使1.6g SNS溶解到98ml水中,然后将1.6g乙醇、2.68g吡咯混合·溶解。在该水溶液中设置两片镍板作为电极并使两片镍板不接触,在两片镍板之间施加30分钟3.0V的电压。将阳极侧的镍板洗净,干燥后,从镍板上剥离获得测定用的样品(比较例1)。
将用上述的方法作成的样品的电导率,使用DIA INSTRUMENTS社制的LORESTA GP用四探针法测定。
另外,在耐电压的测定中,使用可以控制电压的直流电源和电流计进行测定。使电压以每1秒钟左右上升0.2V的速度从0V升到100V,将1A的电流流动的时点作为该样品的耐电压。
将上述实施方式1的实施例1~实施例6与作为现有技术例的比较例1的导电性高分子的被高电阻化后的高电阻化物膜的耐电压的测定结果示于表1。
如由表1的结果表明的那样,在本发明的导电性高分子复合体中耐电压提高。
表1
导电性高分子 | 离子性高分子 | 高分子A | 耐电压A(V) | |
实施例1 | 聚吡咯 | 聚马来酸 | 14 | |
实施例2 | 聚吡咯 | 聚丙烯酸 | 14 | |
实施例3 | 聚吡咯 | 高分子B | 18 | |
实施例4 | 聚吡咯 | 聚马来酸 | 聚烯烃 | 19 |
实施例5 | 聚吡咯 | 聚马来酸 | 聚醚 | 17 |
实施例6 | 聚吡咯 | 聚马来酸 | PVA | 21 |
比较例1 | 聚吡咯 | 10 |
高分子A:与离子性高分子形成共聚物的高分子
高分子B:聚丙烯酸与聚马来酸的共聚物
耐电压A:导电性高分子或导电性高分子复合体的高电阻化物的耐电压
接着,在利用实施例5的组成的导电性高分子复合体的膜的耐电压试验中的特性的变化示于图1中。
根据图1的结果,如果施加过大电流时,则因为过大电流在导电性高分子复合体的膜中流动而引起发热,因在导电性高分子复合体的膜中产生脱掺杂的现象而高电阻化。另外,如果将电压提高上去,则会发生短路,该短路电压称作耐电压。
接着,在实施例4的导电性高分子复合体的组成中,将使作为离子性高分子的成分的烯烃与马来酸的共聚物的添加量变化时的电导率的变化示于图2中,将耐电压的变化示于图3中。
由图2和图3可知,通过使用本实施方式的导电性高分子复合体,可以不使电导率大幅降低,可以提高耐电压。这里,如果离子性高分子的添加量过多,则制膜反应变慢而使生产效率降低。而且,如果其添加量超过5%,则电导率显著下降。
另外,作为上述高分子A,使用聚丁二烯、聚异戊二烯、聚异丁烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸乙酯、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、纤维素、聚硅氧烷和聚乙缩醛等也可以获得同样的效果。
(实施方式2)
下面,参照附图对在本发明的实施方式2中的导电性高分子复合体和使用该导电性高分子复合体的SEC进行说明。
图4为在本实施方式2中的SEC的示意剖面图。
在图4中,作为阀金属1,使用钽、铌、铝等。介电被覆膜2,利用阳极氧化或在将阀金属粉末成型后进行烧结等方法来形成。
另外,绝缘层3,使用环氧树脂或硅树脂等而形成。该绝缘层3,具有将阳极与阴极分离,防止电极间短路的作用。进一步,固体电解质层4在介电被覆膜2上形成。作为固体电解层4,可以使用将吡咯、噻吩或它们的衍生物等与离子性高分子复合体化形成的导电性高分子复合体。
其形成利用化学聚合或电解聚合而进行。另外碳层5形成于固体电解质层4上。银粘附层6形成于碳层5上。另外,具备加工有引线框架的阳极7和阴极8,还有外壳9。
接着,对本发明的SEC的构成进行详细地说明。这里作为阀金属1使用铝,作为固体电解质层4使用与离子性高分子复合体化的聚合吡咯。
首先,将打成规定形状的厚度为100μm的铝箔蚀刻,然后,在磷酸二氢铵水溶液中用5V的电压进行阳极氧化,形成介电被覆膜2。
之后,使用硅树脂等形成绝缘层3。
接着,作为固体电解质4,通过化学聚合将聚合吡咯与离子性高分子复合体化,在该复合体上通过电解聚合法形成导电性高分子复合体。该电解聚合的溶液使用在各自的容器中准备98ml的水,分别使1.6g SNS溶解在其中,然后,分别添加烯烃与马来酸的共聚物使相对于溶液固体组分分别成为0.5%重量、1.0%重量、2.5%重量,最后,分别混合溶解1.6g乙醇、2.68g吡咯的溶液。
在通过这样的化学聚合和电解聚合所形成的固体电解质层4上使用碳糊和银糊来涂布形成碳层5和银糊层6。使用熔接等的方法将该SEC的元件连接到阳极7和阴极8的引线框架上,然后通过用环氧树脂进行模成型来形成外壳9而制成SEC。然后,实施老化而获得本发明的SEC的评价用样品(实施例7~实施例9)。
另外,作为比较例,利用现有的吡咯制作导电性高分子的水溶液,使用该水溶液用与上述相同的制造方法来制作SEC(比较例2)。
将本发明的导电性高分子复合体(实施例~实施例9)和作为现有例的比较例2的导电性高分子的特性示于表2中。
接着,将这些导电性高分子用作固体电解质层4的SEC的ESR特性和阻抗的频率特性示于图5中。
另外,图5的横轴为频率,纵轴表示ESR和阻抗。图中的X1、Y1分别表示实施例8的ESR和阻抗,而X2、Y2分别表示比较例2的ESR和阻抗。
表2
比较例2 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | |
离子性高分子添加量(%重量) | 0.0 | 0.5 | 1.0 | 2.5 |
电容(μF) | 32 | 33 | 32 | 33 |
ESR(mΩ) | 13 | 12 | 14 | 15 |
耐电压(V) | 7.6 | 10.6 | 13.2 | 15.3 |
根据表2和图5所示的结果,可知将本发明的导电性高分子复合体用作固体电解质层4的SEC,可以实现不使电特性恶化,而提高SEC的耐电压。
另外,在本实施方式2中使电容器元件的电容引出的部分的大小,为铝箔的一个面4mm×3mm。
另外,在实施方式2中作为掺杂剂使用SNS,而与实施方式1同样,也可以使用它以外的芳香族磺酸及其衍生物。
另外,与实施方式1同样,掺杂剂的磺酸基没有必要为一个。可以使用磺酸基为两个的二磺酸及其衍生物,磺酸基为三个的三磺酸及其衍生物,或磺酸基为四个的四磺酸及其衍生物等。
通过将具有这样的多个磺酸基的化合物用作掺杂剂,在相对于SEC的应力的信赖性提高的同时,耐热性也提高。
另外,与实施方式1同样,在芳香环上也可以存在磺酸基以外的取代基。例如,由于因存在空间上体积大的取代基,脱掺杂被抑制,所以有望提高SEC的耐热性。另外,如果具有可形成氢键的取代基,那么就可以进一步提高耐热性。
另外,取代基具有双键或环氧基那样的反应部位时,使其反应性部位之间相互反应,或使用别的化合物与反应性部位交联可以获得导电性高分子复合体。然后通过将其作为固体电解质层4,可以提供高信赖性的SEC。
另外,作为离子性高分子使用的是烯烃与马来酸的共聚物,但也可以使用这以外的离子性高分子。
另外,作为导电性高分子的单体使用的是吡咯,但也可以使用吡咯衍生物或噻吩及其衍生物。
通过使用这些化合物,也可以获得高导电性、高耐热性、高机械强度、可溶性等的特性。通过将这样的导电性高分子复合体作为固体电解质层4,作为SEC的重要特性的低ESR化和高耐热化等成为可能。
另外,通过将导电性高分子复合体的导电性高分子的主链作为由聚噻吩和其衍生物与聚吡咯和其衍生物构成的积层膜,可以形成在耐电压和耐热性上更优良的SEC。另外,通过将导电性高分子复合体的导电性高分子的主链作为由聚噻吩和其衍生物与聚吡咯和其衍生物构成的积层膜,可以提高膜厚的均质性和耐热性。
另外,在实施方式2中是并用化学聚合与电解聚合两者来形成固体电解质层4,但是也可以单独用化学聚合与电解聚合的任何一种来形成固体电解质层4。化学聚合时,在反应体系中混合各种化合物变得容易,可以获得各种特性的固体电解质层4。另外,电解聚合时,由于反应在电极表面连续发生,所以可以获得致密的导电性优异的固体电解质层4,所以与化学聚合的情况相比对低ESR化有利。但是,进行该电解聚合时,由于有必要在介电被覆膜2的表面上形成导电层,所以使用以下的方法。例如为化学聚合、或可溶性的导电性高分子或导电性高分子粉末的分散溶液的涂布、或在现有的钽电容器的固体电解质层4上所使用的二氧化锰的形成等。
本发明的导电性高分子复合体,由于可以提供导电性优异,且其高电阻化物的耐电压高的导电性高分子,所以可以应用于各种电子设备领域。另外,将其导电性高分子复合体作为固体电解质层的SEC,具有优异的耐电压特性,在用于各种电子设备的电路中是有用的。
Claims (13)
1.一种导电性高分子复合体,其特征在于,是使离子性高分子与导电性高分子复合体化而形成的。
2.如权利要求1所述的导电性高分子复合体,其特征在于,上述离子性高分子为聚丙烯酸或聚马来酸的均聚物或共聚物。
3.如权利要求2所述的导电性高分子复合体,其特征在于,上述共聚物为上述阴离子性高分子与选自聚烯烃、聚醚、聚乙烯醇中的任一种的共聚物。
4.如权利要求1所述的导电性高分子复合体,其特征在于,上述导电性高分子的主链为聚吡咯及其衍生物。
5.如权利要求1所述的导电性高分子复合体,其特征在于,上述导电性高分子的主链为聚噻吩及其衍生物。
6.如权利要求1所述的导电性高分子复合体,其特征在于,上述导电性高分子复合体用至少化学聚合和电解聚合中的任何一种方法形成。
7.一种固体电解电容器,该固体电解电容器为由至少由阀金属构成的阳极、在上述阀金属上形成的介电被覆膜、和在上述介电被覆膜上形成的固体电解质层构成的固体电解电容器,其特征在于,上述固体电解质层为由导电性高分子和离子性高分子构成的导电性高分子复合体。
8.如权利要求7所述的固体电解电容器,其特征在于,上述离子性高分子为聚丙烯酸或聚马来酸的均聚物或共聚物。
9.如权利要求8所述的固体电解电容器,其特征在于,上述共聚物为选自聚烯烃、聚醚、聚乙烯醇中的任何一种与上述离子性高分子的共聚物。
10.如权利要求7所述的固体电解电容器,其特征在于,上述导电性高分子的主链为聚吡咯及其衍生物。
11.如权利要求7所述的固体电解电容器,其特征在于,上述导电性高分子的主链为聚噻吩及其衍生物。
12.如权利要求7所述的固体电解电容器,其特征在于,将上述导电性高分子复合体的导电性高分子的主链成为聚噻吩和其衍生物与聚吡咯和其衍生物的积层膜。
13.如权利要求7所述的固体电解电容器,其特征在于,上述导电性高分子复合体为至少用化学聚合与电解聚合中的任何一种方法形成的。
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