CN1961392A - 电解电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的电解电容器(A1)包括阳极(2)和阴极(3)，和介于阳极(2)和阴极(3)之间的电解液(4)。阳极(2)包括在表面形成有作为电介质层(23)的氧化膜的具有阀作用的金属的多孔质烧结体(21)，和使该多孔质烧结体(21)与外部连接用的正端子(7A)连接的阳极导线(22)。阴极(3)包括在与电解液(4)的界面中产生双电荷层的极化电极(31)，和使该极化性部件(31)与外部连接用的负端子(7B)导通的集电极(32)。

Description

电解电容器
技术领域
本发明涉及一种电解电容器。
背景技术
以往，例如携带式电话等的携带式电子机器的备用电源中使用双电荷层电容器。双电荷层电容器也可以用于具有太阳能电池的蓄电设施、所谓混合汽车中的电动机用电源或再生能量设施等。
图7表示这种双电荷层电容器的一个例子。该双电荷层电容器X包括阳极91和阴极92。阳极91具有由活性炭微粉形成的极化性电极91a，阴极92具有由活性炭微粉形成的极化性电极92a。在极化性电极91a、92a之间充填有电解液93。在双电荷层电容器X中，在电解液93与极化性电极91a、92a的界面，更具体而言在活性炭微粉与电解液93的界面，产生正负离子隔着该界面分布的双电荷层。在用于蓄电设施的情况下，利用该双电荷层完成蓄电；在用于电源的情况下，将蓄积在该双电荷层中的电荷供给到负载。
因为双电荷层电容器X在极化性电极91a、92a中产生的双电荷层的正负离子之间的距离极小，为一分子左右，所以该双电荷层的每单位面积的静电电容大，且通过使用活性炭微粉构成极化性电极91a、92a，增大双电荷层每单位体积的表面积，所以具有即使是小型、也可以得到比较大的静电电容的特征。因此，近年来，用于上述的电源和蓄电的用途中。
但是，电容器的蓄积能量以CV2/2(C：电容，V：电压)表示，越是高电压且高电容，蓄积能量越大。在将电容器用于备用电源等电源的情况下，希望增大每单位体积或每单位重量的蓄电量(能量密度)，增大总蓄积能量，同时尽可能地提高供给电压。特别是因为供给相同电力时，如果供给电压高，就能够减小输出电流，所以能够抑制由电容器的内部电阻等产生的损失，能够提高电源供给的效率。在这方面电容器的高电压化是很重要的。
但是，如果对双电荷层施加耐电压以上的电压，就会由于电解在电解液中产生气泡，无法发挥作为电容器的功能，所以不能将双电荷层电容器X单体用作为耐电压以上的电源，为了对应于那种高电压电源，必须串联连接需要数目的由双电荷层电容器构成的单元，构成双电荷层电容器。
例如，在使用稀硫酸水溶液作为电解液93的情况下，在极化性电极91a、92a中产生的双电荷层的耐电压分别为1.0～1.2V左右，所以要高电压化为该耐电压以上的电压，必须串联连接由需要数目的双电荷层电容器构成的单元。
此时，为了适当地发挥双电荷层电容器X的功能，优选尽可能使各单元的电压相同，但由于静电电容的差异等，单元之间的电压存在很大差异，难以使各单元的电压分配均匀。因此，在双电荷层电容器中，有时无法充分满足需要多个单元的高电压化的要求。
另一方面，在钽电解电容器和氧化铌电容器等的固体电解电容器中，近年来，开发出具有高CV值的微粉，使用这些微粉的烧结体，以谋求高电容化。但是，如果通过增大微粉的比表面积，实现高CV化，耐电压反而降低，所以即使用这种高电容的固体电解电容器，也难以实现高电压化。
作为谋求使用具有高CV值的微粉的电解电容器的高电压化的方法，本发明人考虑采用例如湿式电解电容器的阴极结构，但在这种阴极结构中，存在不能流过大电流的问题。即，如果采用现有的湿式电解电容器的阴极结构，耐电压提高，但一旦大电流流过，就会超过阴极的耐电压，对于可以在电容器中流过的电流产生一定的限制。
要求高电压且高电容、更希望能够流过大电流的电容器，但是如上述，用以往的干式电容器及湿式电容器的结构，均难以实现。
专利文献1：日本特开2003-92234号公报
发明内容
本发明是考虑上述情况提出的，其目的在于提供一种大电容且可高电压化、大电流化的电解电容器。
本发明提供的电解电容器，包括阳极和阴极、和介于上述阳极和阴极之间的电解液。其特征在于，上述阳极，包括：在表面形成有作为电介质层的氧化膜的具有阀作用的金属的多孔质烧结体，和使该多孔质烧结体与外部连接用的正端子导通的第一导电部件；上述阴极，包括：在与上述电解液的界面产生双电荷层的极化性部件，和使该极化性部件与外部连接用的负端子导通的第一导电部件。
优选上述双电荷层的静电电容大于上述电介质层的静电电容。
优选上述具有阀作用的金属为铌、钽或它们的化合物。
优选上述阴极的极化性部件由活性炭形成。
优选在上述阳极和上述阴极之间，设置能够使上述电解液通过的隔壁。
优选具有划分为多个分室的外壳，在该外壳的各分室中设置有上述阳极、阴极和电解液，且邻接的分室的阳极和阴极串联地电连接。
优选具有划分为多个分室的外壳，在该外壳的各分室中设置有上述阳极、阴极和电解液，且各阳极的第一导电部件彼此相互电连接，同时，各阴极的第二导电部件相互电连接。
优选设置有多个上述阳极和阴极，各阳极的第一导电部件相互电连接，同时，各阴极的第二导电部件相互电连接。
根据本发明的电解电容器，电介质层的耐电压大于双电荷层的耐电压，而且能够增大该电介质层中的电压。因此，将该电解电容器用于电源供给的情况下，由于增大电介质层的耐电压，能够适当地对应于该电源的高电压化。
另外，如果为双电荷层的静电电容大于电介质层的静电电容的结构，能够将充电时施加的电压中施加在双电荷层部分的电压抑制在该双电荷层的耐电压以下，将与蓄积在电介质层中的静电能量同等的静电能量蓄积在双电荷层中。因此，能够使双电荷层中的电压为其耐电压以下，同时增大该电解电容器整体的耐电压。
另外，根据本发明的电解电容器，由活性炭构成极化性部件，所以，阴极表面积扩大，放出蓄积的静电能量时，能够减小双电荷层中的每单位面积的电流，同时增大电解电容器的输出电流。
附图说明
图1是表示本发明的电解电容器的一例的截面图。
图2是表示本发明的电解电容器的一例的主要部分的放大图。
图3是表示本发明的电解电容器的一例的主要部分的放大图。
图4是表示本发明的电解电容器的其它例子的截面图。
图5是表示本发明的电解电容器的其它例子的截面图。
图6是表示本发明的电解电容器的其它例子的截面图。
图7是表示现有电解电容器的一例的主要部分的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图，具体地说明本发明的实施例。
图1～图3为表示本发明的电解电容器的一例。如图1所示，该电解电容器A1包括阳极2、阴极3、电解液4、隔壁5和收容它们的外壳1。
外壳1由绝缘性树脂形成，在其两侧壁附设有阳极2和阴极3。
阳极2包括作为具有阀作用的金属的铌的多孔质烧结体21，和一部分埋设在该多孔质烧结体21中的阳极导线22。使用铌的多孔质烧结体作为阳极2是因为通过对该多孔质烧结体实施化学处理等，能够适当地形成作为后述电介质层23的氧化膜的缘故。并且由于能够比较增大该氧化膜的耐电压，使电解电容器A1易于高电压化。
如图2所示，多孔质烧结体21结合有许多铌的微粒体21a。这些铌的微粒体21a与阳极导线22连通。在铌的微粒体21a和阳极导线22的表面形成由五氧化铌等氧化膜构成的电介质层23。
例如可以如下操作制成阳极2。首先，在模具中填充铌的微粉，在将阳极导线22的一部分埋设在该微粉中的状态下，通过冲压加工，制成铌的多孔质体，再烧结该多孔质体，得到铌的多孔质烧结体21。使该多孔质烧结体21浸渍在磷酸水溶液等的化学液中，通过在该状态下通入直流电流进行阳极氧化处理，在多孔质烧结体21的内表面、外表面和阳极导线22的表面形成电介质层23。
阳极导线22与多孔质烧结体21一样，由铌形成。该阳极导线22与用于电解电容器A1的外部连接的外部连接用端子7A(正端子)导通。
阴极3包括极化性电极31和集电极32。如图3所示，极化性电极31例如通过将活性炭微粉31a与粘合剂(图示省略)一起混炼而形成，与集电极32接合。另外，为了提高活性炭微粉31a之间的导通性，也可以添加所谓的纳米碳黑。活性炭微粉31a的表面形成微细的凹凸状，与例如铌的多孔质烧结体21相比，每单位体积的表面积大。
在阴极3设置有由活性炭构成的极化性电极31是因为活性炭每单位体积的表面积大于例如铌、钽等的多孔质烧结体，能够增大在阴极3产生的双电荷层的每单位体积的静电电容的缘故。
如果在极化性电极31与后述的电解液4的界面上施加电压，就成为固定在极化性电极31表面的荷电离子和与极化性电极31表面接触的电解液4中的离子隔着该界面分布的状态，形成所谓的双电荷层。
在该双电荷层中，不同于如同例如多孔质烧结体21，插入电介质层23等物理地形成的膜而带电，正负离子之间的距离(相当于双电荷层的厚度)为一个分子左右的大小。因此，双电荷层具有每单位面积的静电电容大的特性。
集电极32由导电性树脂(图示省略)等与极化性电极31结合。该集电极32与用于该电解电容器A1的外部连接的外部连接用的端子7B(负端子)导通。
将电解液4填充在外壳1内，含浸于阳极2的多孔质烧结体21和阴极3的极化性电极31内。作为该电解液4，可以使用例如硫酸水溶液。在电解液4与多孔质烧结体21的界面间，隔着电介质层23，通过分别使多孔质烧结体21的表面带正电荷，电解液4带负电荷，发挥蓄电功能。即，由电介质层23形成电容器。另一方面，在电解液4与极化性电极31的界面间，形成上述双电荷层，通过使电解液4侧带正电荷，极化性电极31侧带负电荷，发挥蓄电功能。即，由双电荷层形成电容器。
隔壁5用于防止阳极2的多孔质烧结体21与阴极3的极化性电极31不当接触等而导通。该隔壁5由具有多个细孔的绝缘性材料板形成，能够使电解液4通过。
封固树脂6以覆盖外壳1的上方开口部的方式设置，用于防止电解液4泄漏，和多孔质烧结体21、极化性电极31与该电解电容器A1以外的导通部件不当导通等。
下面，说明电解电容器A1的作用。
如上所述，因为电介质层23每单位面积的静电电容小于双电荷层，所以耐电压高于双电荷层。因为电解电容器A1的端子7a和端子7b之间的电压为阴极3的双电荷层的耐电压与阳极2的电介质层23的耐电压的加和，所以能够使其电压高于现有的只利用双电荷层的双电荷层电容器。
因此，即便在用现有的双电荷层电容器必须串联连接由多个双电荷层电容器构成的单元以谋求高电压化的情况下，用电解电容器A1，由电解电容器A1单体即可实现充分的高电压化。
例如，在使用100KCV/g的铌粉的1cm2、1mm厚的多孔质烧结体中，因为每1个颗粒(pellet)的电容为30KCV，所以如果以100V化学处理该烧结体，就能够构成3000μF的电介质层。另一方面，在使用活性炭微粉的极化性电极31中，能够形成例如200000μF以上的双电荷层。
因此，如果使用3000μF的电介质层23与可形成200000μF的双电荷层的极化性电极31，制成电解电容器A1，在该电解电容器A1中，在端子7a、7b之间施加电压，使得例如在电介质层23上施加50V，就会在阴极3上产生的双电荷层上施加约0.75V(＝50·C1/(C1+C2)，C1为电介质层23的电容，C2为双电荷层的电容)的电压，能够将双电荷层保持在耐电压(约1.0V)以下，同时以50V以上的高电压充电，在用于电源时能够以50V以上的电压供给电力。
另外，即便在如果不串联连接多个由电解电容器A1构成的单元，就不能得到所希望的高电压的情况下，用电解电容器A1，与现有的串联连接多个由以往的双电荷层电容器构成的单元的情况相比，能够通过串联连接更少个数的单元实现所希望的高电压化。
因为用电解电容器A1能够减少串联连接的单元个数，所以即使在单元之间电压产生差异，也能够比较容易地实现各单元的电压分配的均匀化。
另外，如上所述，阴极3的双电荷层中每单位面积的静电电容大于阳极2的电介质层23中每单位面积的静电电容。这是因为在端子7A和端子7B之间施加电压时，施加在阴极3的双电荷层部分的电压小于施加在阳极2的电介质层23部分的电压，所以用电解电容器A1，能够使施加在上述双电荷层上的电压小于施加在电介质层23上的电压，同时能够在阴极3的双电荷层与阳极2的电介质层23中蓄积大致同等的静电能量。
因此，用电解电容器A1，能够使上述双电荷层中的电压在其耐电压以下，同时通过阳极2的电介质层23中的高电压化，与电源供给的高电压化相对应。
另外，使用多孔质烧结体21，在阳极2形成表面积比较大的电介质层23，同时在阴极3设置使用活性炭微粉的极化性电极31，形成表面积比较大的双电荷层，所以两个电极中的静电电容大，可实现大电容化。
然后，作为电解电容器A1，实现大电容、高电压的电容器，所以在用于高电压供给用的电源的情况下，如果在供给相同电力时，提高供给电压、减小供给电流，就能够减少因电源内部电阻产生的损失，所以能够提高电源供给的效率。
另外，因为能够减小电解电容器A1的阳极2和阴极3中每单位面积的电流量，所以能够以比较大的充电电流蓄电，同时非常适用于大电流供给用的电源。
图4和图5表示本发明的其它实施形态。另外，在这些图中，对于与上述实施方式相同或类似的单元标以与上述实施方式相同的符号。
图4所示的电解电容器A2是将图1所示的电解电容器A1作为单元、串联连接多个单元的电容器。
外壳1由2块中板11划分为3个分室1a。在各分室1a中，构成图1所示的电解电容器A1。即，在各分室1a中，分别附设有一个阳极2和阴极3，设置有使其绝缘的隔壁5。在各分室1a中填充有电解液4。在本实施方式中，以隔着中板11的方式设置的阳极2的阳极导线22与阴极3的集电极32导通。由此，在该电解电容器A2中，串联地电连接有多个阳极2和阴极3。
根据这种实施方式，能够提高该电解电容器A2的电压，即外部连接用的端子7A、7B之间的电压。因此，有利于对应电源供给用途等的高电压化。另外，上述分室1a的个数不限于3个。
图5所示的电解电容器A3包括多个阳极2和阴极3、3′，多个阳极2相互连接，连接在端子7A上。多个阴极3、3′相互连接，连接在端子7B上。将2个阴极3附设在外壳1的两侧壁，其间，交替地配置多个阳极2和阴极3′。阴极3′不同于阴极3，在集电极32的两侧形成有极化性电极31。3个阳极导线22与4个集电极32分别与外部连接用的端子7A、7B导通。由此，在该电解电容器A3中，将多个阳极2和阴极3、3′分别并联地电连接。
图5所示的电解电容器A3具有与实质地并联连接由多个电解电容器A1构成的单元的电容器相同的效果。
因此，根据这种实施方式，能够增大蓄积在该电解电容器A3中的静电能量，有利于对应电源供给用途等的大电容化。
另外，代替图5的构成，也可以如图6所示，在图4所示的结构中，将多个阳极导线22与端子7A连接，多个集电极32与端子7B连接，再将各单元并联连接。
本发明的电解电容器不限于上述的实施方式。本发明的电解电容器各部分的具体结构可自如地进行各种设计变化。
作为多孔质烧结体21的材料，不限于铌，也可以使用例如钽等具有阀作用的金属、或者这些阀作用金属的氧化物或氮化物等化合物。
极化性电极31使用活性炭形成，对于增大静电电容而言优选，但不限于此，只要是能够适于形成双电荷层的材料即可。另外，对于阴极3，只要是能够形成双电荷层的结构即可，不限定于具备极化性电极31和集电极32的结构。
电解液4不限于硫酸水溶液，也可以使用此外的水溶液、或使用有机溶剂的有机电解液。例如，可以使用用于湿式铝电解电容器中的公知的电解液。

Claims (8)

1.一种电解电容器，其包括阳极和阴极、和介于所述阳极和阴极之间的电解液，其特征在于：
所述阳极，包括：在表面形成有作为电介质层的氧化膜的具有阀作用的金属的多孔质烧结体；和使该多孔质烧结体与外部连接用的正端子导通的第一导电部件，
所述阴极，包括：在与所述电解液的界面产生双电荷层的极化性部件；和使该极化性部件与外部连接用的负端子导通的第二导电部件。
2.如权利要求1所述的电解电容器，其特征在于：
所述双电荷层的静电电容大于所述电介质层的静电电容。
3.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：所述具有阀作用的金属为铌、钽或它们的化合物。
4.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：所述阴极的极化性部件由活性炭形成。
5.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：
在所述阳极和所述阴极之间，设置有能够使所述电解液通过的隔壁。
6.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：
具有划分为多个分室的外壳，在该外壳的各分室中设置有所述阳极、阴极和电解液，且邻接的分室的阳极和阴极串联地电连接。
7.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：
具有划分为多个分室的外壳，在该外壳的各分室中设置有所述阳极、阴极和电解液，并且，各阳极的第一导电部件彼此相互电连接，同时，各阴极的第二导电部件相互电连接。
8.如权利要求1或2所述的电解电容器，其特征在于：
设置有多个所述阳极和阴极，各阳极的第一导电部件相互电连接，同时，各阴极的第二导电部件相互电连接。
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