JP2006351733A - コンデンサーおよびコンデンサー用電極セパレーター - Google Patents

Abstract

【課題】 脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いた高エネルギー密度（高容量）で、内部抵抗の小さい生産性の良いコンデンサー、および、薄くて強靱で、耐熱性、寸法安定性、電気絶縁性、耐薬品性、低吸水性に優れ、かつ、均一で多孔性のコンデンサー用電極セパレーターを提供する。
【解決手段】 下記（１）で示される繰り返し単位を含む脂肪族ポリケトン繊維からなる脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いたコンデンサーである。 下記（１）で示される繰り返し単位を含む脂肪族ポリケトン繊維を用いた湿式不織布からなるコンデンサー用電極セパレーターである。 −ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＯ− （１）
【選択図】 なし

Description

本発明は、脂肪族ポリケトン繊維からなる湿式不織布を電極セパレーターに用いたアルミ電解コンデンサーまたは電気二重層キャパシタなどのコンデンサー、およびコンデンサー用電極セパレーターに関する。更に詳しくは、強度、寸法安定性、耐熱性、接着性、電気絶縁性、耐薬品性に優れ、かつ低吸水性である厚さの薄い多孔性の均一なポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いたコンデンサー、およびコンデンサー用電極セパレーターに関する。

近年、木材パルプの代わりに合成繊維を用いて抄紙した湿式合成繊維紙が検討されている。合成繊維紙は耐水性がよく、合成繊維の様々な特徴を併せ持つので、新規材料として注目され、種々提案されている。
例えば、特許文献１ではポリエステル繊維を用いた湿式繊維紙が開示され、耐水性、耐薬品性に優れるので、感熱孔版原版用支持体などに使用されている。しかし、ポリエステル繊維は熱可塑性樹脂であり、高温にすると熱膨張して寸法安定性、強度が低下するので、耐熱性の向上が必要である。

また、特許文献２では芳香族ポリアミド繊維を用いた繊維紙が開示され、力学的強度、寸法安定性、耐熱性などに優れるので、多層プリント配線基板用基材などに使用されている。しかし、芳香族ポリアミド繊維は吸水性が高く、高温処理すると吸水された水が脱着してプリント配線基板の膨れなどを生ずるので、改良する余地がある。また、芳香族ポリアミド繊維は他の樹脂との接着性の点でも性能向上が望まれている。

脂肪族ポリケトン繊維を用いたシート状物は特許文献３で開示され、低吸水で剛性に富んだ、耐薬品性、力学的強度、寸法安定性、耐熱性、接着性などに優れた１００μm〜１０ｍｍのシート状構造体材料を提供するとしているが、まだ市場に出ていない。
これらの合成繊維不織布は電気絶縁性にも優れているので、電気材料、とくにコンデンサー用電極セパレーター等に使用する検討がされている。
電子機器の小型化、高集積化の進行に伴い、コンデンサーの高エネルギー密度化が要求されてきている。

コンデンサー用電極セパレーターにおいては薄膜化する際に、電極材料の突き刺しによる短絡や、加工時の強度不足による短絡が生じたり、充放電時のイオンや電位によるセパレーターの劣化対策が必要となる。これらはセパレーターの突き刺し強度や抗張力が高いものが望まれる。また電解液に耐えうる耐薬品性や組み立て加工時脱水処理に必要な耐熱性が重要となる。

特許文献４，５、および６など、セルロース繊維を用いたコンデンサー用電極セパレーターの特許が提案され、また、市場で市販されている。しかし、セルロース繊維は吸水性が高く、有機系コンデンサーへ使用する時には高温で絶乾しなければならない。また、セルロース繊維は繊維同士を水素結合で接着しているので、コンデンサー組立時の加工強度を維持するためには厚さに限界がある。

合成繊維を用いた不織布からなるコンデンサー用電極セパレーターとしては、特許文献７で全芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステルなどの液晶性高分子繊維をフィブリル化して湿式不織布とし、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性が優れていることから、電気二重層キャパシタ用セパレーターに使用することを提案している。
しかし、液晶性高分子繊維も吸水性が高く、有機系コンデンサーに組み込む際は加熱脱水して用いなければならない。

特願２００３−１７１１９１号 特許第３１３８２１５号公報 特開２００１−２０７３３５号公報 特願平１０−１６８０２２号 特願平９−３３３２８５号 特願平７−３０５２３７号 特開２００２−２６６２８１号

本発明は従来技術に見られる上記問題点を解決するものである。すなわち、本発明は、脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いた高エネルギー密度で、内部抵抗の小さい生産性の良いコンデンサー、および、耐薬品性、耐熱性、寸法安定性、電気絶縁性に優れ、かつ、低吸水性である厚さが薄い多孔性のコンデンサー用電極セパレーターを提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため、脂肪族ポリケトン繊維に着目して鋭意検討した結果、脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターに用いた高エネルギー密度で内部抵抗の小さい生産性の良いコンデンサー、および、耐薬品性、耐熱性、寸法安定性、電気絶縁性に優れ、かつ低吸水性である厚さが薄い多孔性のコンデンサー用電極セパレーターを実現できることを見出し本発明に至ったものである。

すなわち本発明の第１は、下記（１）で示される繰り返し単位を含む脂肪族ポリケトン繊維からなる湿式不織布であることを特徴とするコンデンサー用電極セパレーターである。
−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＯ− （１）
発明の第２は不織布の厚さが５〜２００μｍであることを特徴とする発明の第１のコンデンサー用電極セパレーターである。
発明の第３は下記で表される不織布の空隙率が３０〜９０％であることを特徴とする発明の第１または２のコンデンサー用電極セパレーターである。
空隙率＝｛１−（不織布を構成する繊維の総質量／構成する繊維の密度）／（不織布の厚さ×面積）｝×１００
発明の第４は脂肪族ポリケトン繊維の繊維長が０．５〜１０ｍｍにカットされた繊維であることを特徴とする発明の１から３のいずれかのコンデンサー用電極セパレーターである。

発明の第５は脂肪族ポリケトン繊維の平均繊維径が０．１〜２０μｍであることを特徴とする発明の１から４のいずれかのコンデンサー用電極セパレーターである。
発明の第６は湿式不織布が単層若しくは複層からなることを特徴とする発明の１から５のいずれかのコンデンサー用電極セパレーターである。
発明の第７は発明の１から６のいずれかの電極セパレーターを用いたコンデンサーである。

本発明の脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いた高エネルギー密度で内部抵抗が小さく生産性の良いコンデンサー、および、高強度、高弾性率、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性、電気絶縁性に優れ、かつ低吸水性である非常に薄い多孔性の、脂肪族ポリケトン繊維からなるコンデンサー用電極セパレーターを提供するもので、従来に無い特徴を持ったものである。

以下、本発明について具体的に説明する。
本発明のコンデンサーは脂肪族ポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いたものであり、該セパレーターの薄くて高強度であることから、該コンデンサーの高エネルギー密度化、および低内部抵抗化を実現し、併せて、高耐熱性、低吸水性により、加熱脱水が容易で高生産性を実現する特徴を持つ。

本発明のコンデンサーは、白金箔、金箔、アルミ箔、活性炭粉末を集電体のアルミ箔上に塗布した炭素電極などを電極とし、２つの電極間に脂肪族ポリケトン不織布のセパレーターを挟んで電極同士の接触を回避し、該セパレーターに電解液を含浸させて作製することができる。工業的には電極を捲回して、あるいは積層してコンパクト化し、コンデンサーのエネルギー密度（容量）を向上させているが、該セパレーターは強靭性を保ちながら薄いため、電気的内部抵抗が低く、かつエネルギー密度をより高めることができる。本発明のコンデンサーは電極の種類、および製法に限定されない。また、電解液として水系と有機系の２種類が工業的に使用されているが、電解液の種類にも限定されない。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターは、脂肪族ポリケトン繊維を用いた湿式不織布であり、脂肪族ポリケトン繊維の融点付近で急激に軟化し変形する性質を利用し、脂肪族ポリケトン繊維同士の全部または一部が熱融着していることを特徴とする。したがって、薄くてもまた多孔性であっても均一で強靭なコンデンサー用電極セパレーターを提供することができる。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターの厚さは５〜２００μｍであることが好ましい。より好ましくは５〜１００μｍ、さらに好ましくは５〜７０μｍである。５〜２００μｍにすることで通常使用している紙と同じように扱うことができ、柔軟で、加工性に富み、形状を容易に変形、裁断することができる。また、電解液の含浸性にも適し、コンデンサーとしての電気的内部抵抗を低くすることができる。５μｍ以上の厚さでセパレーターの強度を維持することができる。また、２００μｍ以下の厚さで柔軟性、加工性が良く、とくに捲回型コンデンサーの加工に適している。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターの空隙率は３０〜９０％であることが好ましい。
空隙率＝｛１−（不織布を構成する繊維の総質量／構成する繊維の密度）／（不織布の厚さ×面積）｝×１００
より好ましくは３５〜８５％、さらに好ましくは４０〜８５％である。空隙率を３０％以上とすることで電解液の浸透を容易にすることができ、また、電気的内部抵抗を低くすることができる。また、空隙率を９０％以下とすることで電極セパレーターとして必要な強度を得ることができる。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターに使用する脂肪族ポリケトン繊維は下記（１）で示される繰り返し単位を含む構造を有する。好ましくは下記（１）で示される繰り返し単位が９０モル％以上からなる構造を有する。より好ましくは９８モル％以上、さらに好ましくは１００モル％である。
−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＯ− （１）
繰り返し単位が９０モル％以上であると高強度、高弾性を得ることができ、耐熱性にも優れる。また、該繊維の結晶化度は３０％以上が好ましい。より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上だる。３０％以上であると高強度、高弾性を発現する。ポリケトン繊維の製法としては亜鉛塩、カルシウム塩、イソシアネート塩などを用いたポリケトン水溶液から湿式紡糸法で得たうえで、熱延伸して製造したポリケトン繊維が高強度、高弾性を有しており、好ましい。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターに使用する脂肪族ポリケトン繊維は繊維長０．５〜１０ｍｍにカットされた短繊維であることが好ましい。繊維長０．５ｍｍ以上とすることで抄紙時の紙強度を維持できる。好ましくは１ｍｍ以上である。また、繊維長を１０ｍｍ以下とすることで抄紙時の分散均一性を向上することができる。好ましくは７ｍｍ以下である。
本発明のコンデンサー用電極セパレーターに使用する脂肪族ポリケトン繊維は均一で薄いシートを作製するために平均繊維径２０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは１７μｍ以下である。またシートを熱融着させる際の強度を保つために平均繊維径は０．１μｍ以上が好ましい。

本発明のコンデンサー用電極セパレーターは湿式抄造法で作製することができる。上述のポリケトン短繊維を離解機で水に均一に混合分散して叩解機などでフィブリル化後、円網抄紙機、長網抄紙機、または傾斜短網抄紙機、あるいはそれらを組み合わせたコンビネーション抄紙機などで抄造し、網上に該繊維が平面状に均一に分散した紙層を形成する。その後、ドラムドライヤー、ヤンキードライヤー、熱風ドライヤーなどの乾燥機で十分乾燥して、最終的に熱プレスなどで繊維同士を融着して紙の最終強度を発現させる。
以上は典型的な製造方法であるが、本発明の電極セパレーターは製造方法に限定されない。

本発明では抄造前に該ポリケトン繊維の全部または一部を叩解機などでフィブリル化し、紙層強度を増して生産スピードを上げ、生産性向上を可能にしたり、フィブリル化したμｍからサブμｍのポリケトン細径繊維を用いてμｍからサブμmの孔径を均一に分布させたコンデンサー用電極セパレーターを造ることができるが、本発明は製法によって限定されない。
脂肪族ポリケトン繊維同士の全部または一部を熱融着させるためにはポリケトン繊維の融点温度の−４０℃〜＋４０℃で熱プレスすることが好ましい。融点温度の−４０℃以上の熱プレスでポリケトン繊維が熱融着する。また、融点温度の＋４０℃以下の熱プレスでは溶融、焼け付きを起こさず好ましい。熱プレス時のプレス線圧は公知の範囲で実施することができるが、厚さをコントロールするために１〜２００ｋＮ／ｍが好ましい。

本発明のコンデンサー用セパレーターは熱可塑性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂を含浸または塗布して強度をさらに高めたり、加工性や別の機能をコンデンサー用電極セパレーターに付与することもできる。
本発明のコンデンサー用電極セパレーターは単層で若しくは複層でコンデンサーに用いてもよい

本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例などにより何ら限定されるものではない。コンデンサー用電極セパレーターの構成要件および該セパレーターを用いたコンデンサーの特性測定結果を表１に示す。

[実施例１]
平均繊維径１０μｍ、繊維長３ｍｍの脂肪族ポリケトン短繊維１００質量％に消泡剤を添加し、高速離解機で水分散し繊維分散液を調整した。この繊維分散液に粘剤を添加し、抄紙直前で真空脱気を行い、１００メッシュの抄紙網を備えた円網抄紙機で抄紙し、表面温度２７５℃の熱プレスロールを追加した表面温度１３０℃のヤンキードライヤーで加熱乾燥し、厚さ５０μｍ、空隙率７０％のコンデンサー用電極セパレーターを得た。コンデンサーはテストセル内に該セパレーターを用いて炭素電極で挟み２３０℃、３時間の真空加熱乾燥後、真空状態で電解液を該セパレーター内に含浸させ、作製した。

[実施例２〜９]
実施例１と同様の製造方法を用いて、表１に示す脂肪族ポリケトン繊維を用いたコンデンサー用電極セパレーターを得た。製造方法中の条件の異なる部分については表１に記載した。該セパレーターを用いて実施例１と同様の方法でコンデンサーを作製した。

[比較例１〜２]
平均繊維径１２μｍ、繊維長３ｍｍのガラス繊維およびポリアミド繊維それぞれに消泡剤を添加し、高速離解機で水分散し繊維分散液を調整した。この繊維分散液に粘剤を添加し、抄紙直前で真空脱気を行い、１００メッシュの抄紙網を備えた円網抄紙機で抄紙し、上限温度３５０℃にした熱プレスロールを追加した表面温度１３０℃のヤンキードライヤーで加熱乾燥した。しかし、ガラス繊維およびポリアミド繊維ともに軟化温度に到達せず、繊維紙の強度は発現しなかった。

[比較例３]
実施例１と同様の製造方法を用いて、ポリエチレンテレフタレート（ポリエステル）繊維を用いたコンデンサー用電極セパレーターを得た。製造方法中の条件の異なる部分については表１に記載した。該セパレーターを用いて実施例１と同様の方法でコンデンサーを作製したが、乾燥温度が高すぎて該セパレーターが溶融、変形したので、１６０℃、２４時間かけて乾燥した。

[比較例４]
実施例１と同様の製造方法（ただし、叩解有り）を用いて、マニラ麻のセルロース繊維を用いたコンデンサー用電極セパレーターを得た。製造方法中の条件の異なる部分については表１に記載した。該セパレーターを用いて実施例１と同様の方法でコンデンサーを作製したが、乾燥温度が高すぎて該セパレーターが炭化したので、１６０℃、２４時間かけて乾燥した。

実施例１〜９および比較例３、４で作製した電極セパレーターを以下の方法で評価比較した。
厚さ：マイクロメータで測定し、５点平均値とした。
引張強さ：定速伸張形引張試験機を用い、試験片幅１５ｍｍ、試験片長１００ｍｍの試験片を伸張速度３００ｍｍ／ｍｉｎで伸張し、破断までの最大荷重を測定し、５点平均値を引張強さ（ｋＮ／ｍ）とした。
透気度：ガーレー式デンソメーターを用いて６．４５ｃm²のセパレーター面積を１００ｍｌの空気が通過する時間を測定し、５点平均値とした。

また、上記により作製した電極セパレーターを用いたコンデンサー（電気二重層キャパシタ）は、三電極型セル（電極径２０ｍｍΦ，厚さ約０．５ｍｍ）を用い、電極として活性炭を用いた炭素電極（活性炭：導電剤：バインダー＝１０：１：１）を用い、電解液として１．８Ｍトリエチルメチルアンモニウム・ＢＦ4塩／プロピレンカーボネート溶液（富山薬品工業社製）を用い作製し、パワーシステム社製の充放電試験機（ＣＤＴ５Ｒ０２−４）を用いて、以下の充放電条件で内部抵抗、静電容量の評価を行った。
充放電条件：０．５ｍＡ／２．５Ｖの定電流定電圧による充電後、０．５ｍＡ／０Ｖの定電流で放電した。

内部抵抗：放電初期（総放電時間の１０％に相当する初期放電時間）でのＩＲドロップから算出し、これを電極面積当たりの抵抗値（Ω／ｃｍ²）に換算した。
静電容量：エネルギー換算法すなわち、放電電力Ｅ＝（１／２）ＣＶ2（Ｃ：静電容量，Ｖ：放電電圧）の関係からＣを算出した。

本発明のポリケトン不織布を電極セパレーターとして用いたコンデンサー、および、コンデンサー用電極セパレーターは、電解型コンデンサーに向いており、とくに電極セパレーターが薄いことなどから、高容量で内部抵抗の少ない大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタ、アルミ電解コンデンサー等イオンを用いた湿式コンデンサーなどの用途で好適に利用できる。また、耐熱性、強度、寸法安定性のよいことなどからコンデンサーの生産性も高くすることができる。

Claims (7)

1. 下記（１）で示される繰り返し単位を含む脂肪族ポリケトン繊維からなる湿式不織布であることを特徴とするコンデンサー用電極セパレーター。
   −ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＯ− （１）
2. 不織布の厚さが５〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサー用電極セパレーター。
3. 下記で表される不織布の空隙率が３０〜９０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサー用電極セパレーター。
   空隙率＝｛１−（不織布を構成する繊維の総質量／構成する繊維の密度）／（不織布の厚さ×面積）｝×１００
4. 脂肪族ポリケトン繊維の繊維長が０．５〜１０ｍｍにカットされた繊維であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンデンサー用電極セパレーター。
5. 脂肪族ポリケトン繊維の平均繊維径が０．１〜２０μｍであることを特徴とする請求項から請求項５のいずれか一項に記載のコンデンサー用電極セパレーター。
6. 湿式不織布が単層若しくは複層からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載のコンデンサー用電極セパレーター。
7. 請求項１から６記載の電極セパレーターを用いたコンデンサー。