JP2010021419A - Solid-state electrolytic capacitor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性高分子を電解質に用いた固体電解コンデンサおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrolytic capacitor using a conductive polymer as an electrolyte and a method for manufacturing the same.
電解コンデンサは、アルミニウムやタンタルやニオブ等の弁作用金属からなる陽極箔や陽極体を備えており、陽極箔や陽極体の表面には、誘電体となる酸化皮膜が形成されている。この酸化皮膜からの電気的な引き出しは、酸化皮膜に接触している導電性を有する電解質によって行われ、電解コンデンサにおける真の陰極は、この電解質が担っている。この真の陰極として機能する電解質は、電解コンデンサの電気特性に大きな影響を及ぼすため、様々な種類の電解質が採用された電解コンデンサが提案されている。 The electrolytic capacitor includes an anode foil or an anode body made of a valve metal such as aluminum, tantalum, or niobium, and an oxide film serving as a dielectric is formed on the surface of the anode foil or anode body. Electrical extraction from the oxide film is performed by a conductive electrolyte that is in contact with the oxide film, and the electrolyte serves as a true cathode in the electrolytic capacitor. Since the electrolyte functioning as the true cathode has a great influence on the electrical characteristics of the electrolytic capacitor, electrolytic capacitors employing various types of electrolytes have been proposed.
このような電解コンデンサのうち、固体電解コンデンサは、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)などの導電性高分子を電解質として用いるものであり、液状の電解質を用いた電解コンデンサと比較して高周波領域におけるインピーダンス特性に優れている(たとえば、特許文献1参照)。
このような導電性高分子からなる固体電解質層には、電子受容性の物質(ドーパント、例えば、p−トルエンスルホン酸、p−スチレンスルホン酸)が添加されており、このドーパントが高分子鎖から電子を引き抜いて、高分子内に正孔(キャリア)を発生させることにより、高分子は導電性を有する。
Among such electrolytic capacitors, the solid electrolytic capacitor uses, for example, a conductive polymer such as polyethylenedioxythiophene (PEDOT) as an electrolyte, and has a higher frequency range than an electrolytic capacitor using a liquid electrolyte. Is excellent in impedance characteristics (see, for example, Patent Document 1).
An electron-accepting substance (dopant such as p-toluenesulfonic acid or p-styrenesulfonic acid) is added to the solid electrolyte layer made of such a conductive polymer, and this dopant is removed from the polymer chain. The polymer has conductivity by extracting electrons and generating holes (carriers) in the polymer.
近年、各種電子機器のデジタル化が進み、固体電解コンデンサには、大容量化と小形化が求められている。そして、このような要求を満たす固体電解コンデンサとして、巻回型の固体電解コンデンサがある。
巻回型の固体電解コンデンサは、酸化皮膜が形成された陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回され、このセパレータに導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子を備え、このコンデンサ素子が有底筒状のケースに収納されて、さらに、その開口部が電極箔に接続されたリード線が貫通されたゴム製の封口材により密封された構造を有する(例えば、特許文献1参照)。
In recent years, various electronic devices have been digitized, and solid electrolytic capacitors are required to have a large capacity and a small size. As a solid electrolytic capacitor satisfying such a requirement, there is a wound type solid electrolytic capacitor.
A winding type solid electrolytic capacitor includes a capacitor element in which an anode foil and a cathode foil on which an oxide film is formed are wound through a separator, and a solid electrolyte layer made of a conductive polymer is held on the separator. The capacitor element is housed in a bottomed cylindrical case, and the opening is sealed with a rubber sealing material through which a lead wire connected to the electrode foil is penetrated (for example, a patent Reference 1).
さらに、近年、固体電解コンデンサが高周波領域で使用されることが多いため、電気特性の向上といった要求が固体電解コンデンサに求められている。しかしながら、固体電解コンデンサにおいては、固体電解質に含まれた強酸性のドーパント(例えば、p−トルエンスルホン酸)が陽極箔の酸化皮膜を劣化させるため、電気特性の経時劣化が生じる。 Further, in recent years, since solid electrolytic capacitors are often used in a high frequency region, there is a demand for solid electrolytic capacitors to improve electrical characteristics. However, in the solid electrolytic capacitor, the strongly acidic dopant (for example, p-toluenesulfonic acid) contained in the solid electrolyte deteriorates the oxide film of the anode foil, so that the electrical characteristics deteriorate with time.
そこで、本発明の目的は、電気特性の経時劣化が小さい固体電解コンデンサおよびその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid electrolytic capacitor with small deterioration of electrical characteristics with time and a method for manufacturing the same.
本発明の固体電解コンデンサは、表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔とがセパレータを介して巻回され、前記セパレータに、導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子が収納されるケースとを備えた固体電解コンデンサであって、前記陽極箔と前記固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させることを特徴とする。 The solid electrolytic capacitor of the present invention is a capacitor in which an anode foil having an oxide film formed on its surface and a cathode foil are wound through a separator, and a solid electrolyte layer made of a conductive polymer is held on the separator. A solid electrolytic capacitor including an element and a case in which the capacitor element is accommodated, wherein sodium hydrogen carbonate is dispersed between the anode foil and the solid electrolyte layer.
また、本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔とがセパレータを介して巻回され、前記セパレータに、導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子が収納されるケースとを備えた固体電解コンデンサの製造方法であって、前記コンデンサ素子を形成するコンデンサ素子形成工程と、前記コンデンサ素子を炭酸水素ナトリウム溶液に浸漬することによって、前記陽極箔と前記固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させる炭酸水素ナトリウム分散工程とを備えていることを特徴とする。 Further, in the method for producing a solid electrolytic capacitor of the present invention, an anode foil having an oxide film formed on a surface thereof and a cathode foil are wound through a separator, and the separator is made of a solid electrolyte layer made of a conductive polymer. A solid electrolytic capacitor comprising a capacitor element holding the capacitor element and a case in which the capacitor element is accommodated, the capacitor element forming step for forming the capacitor element, and the capacitor element in a sodium hydrogen carbonate solution A sodium bicarbonate dispersion step of dispersing sodium bicarbonate between the anode foil and the solid electrolyte layer.
本発明によると、陽極箔と固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムが分散されているため、コンデンサ素子内の固体電解質に含まれたドーパント(例えば、p−トルエンスルホン酸、p−スチレンスルホン酸)が中和される。これにより、陽極酸化皮膜の劣化を抑制し、電気特性の経時劣化の小さい固体電解コンデンサを提供することが可能になる。 According to the present invention, since sodium hydrogen carbonate is dispersed between the anode foil and the solid electrolyte layer, the dopant contained in the solid electrolyte in the capacitor element (for example, p-toluenesulfonic acid, p-styrenesulfonic acid) ) Is neutralized. As a result, it is possible to provide a solid electrolytic capacitor that suppresses deterioration of the anodized film and has little deterioration in electrical characteristics with time.
本発明においては、前記導電性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、および、ポリエチレンジオキシチオフェンの何れかであることが好ましい。これにより、固体電解質層の導電性および耐熱性が向上する。 In the present invention, the conductive polymer is preferably any of polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyethylenedioxythiophene. Thereby, the electroconductivity and heat resistance of a solid electrolyte layer improve.
また、本発明においては、前記炭酸水素ナトリウム溶液の濃度が、5%から飽和状態の範囲にあることが好ましい。かかる範囲をとることで、コンデンサ素子内の固体電解質に含まれたドーパントとの中和反応が好適に進み、陽極酸化皮膜の劣化を抑制し、電気特性の経時劣化を抑えることが可能になる。 Moreover, in this invention, it is preferable that the density | concentration of the said sodium hydrogencarbonate solution exists in the range of 5% to a saturated state. By taking such a range, the neutralization reaction with the dopant contained in the solid electrolyte in the capacitor element proceeds favorably, it is possible to suppress the deterioration of the anodic oxide film and to suppress the deterioration of the electrical characteristics over time.
本発明によると、陽極箔と固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムが分散されているため、コンデンサ素子内の固体電解質に含まれたドーパントが中和される。これにより、陽極酸化皮膜の劣化を抑制し、電気特性の経時劣化の小さい固体電解コンデンサを提供することが可能になる。 According to the present invention, since sodium hydrogencarbonate is dispersed between the anode foil and the solid electrolyte layer, the dopant contained in the solid electrolyte in the capacitor element is neutralized. As a result, it is possible to provide a solid electrolytic capacitor that suppresses deterioration of the anodized film and has little deterioration in electrical characteristics with time.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の固体電解コンデンサ1の外観および内部構造を示す概略図である。図2は、コンデンサ素子2の分解斜視図である。図3は、固体電解コンデンサ1の構成を示す概念図である。
図1に示すように、本実施形態の固体電解コンデンサ1は、コンデンサ素子2と、外装ケース4と、封口材5とを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the appearance and internal structure of a solid electrolytic capacitor 1 of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of the
As shown in FIG. 1, the solid electrolytic capacitor 1 of the present embodiment includes a
図2に示すように、コンデンサ素子2は、陽極箔21と、陰極箔22とがセパレータ23を介して巻回された構造を有する。
また、陽極箔21および陰極箔22にはリードタブ(図示省略)がそれぞれ接続されており、このリードタブを介して陽極箔21および陰極箔22からそれぞれリード線25a、25bが引き出されている。
As shown in FIG. 2, the
Further, lead tabs (not shown) are connected to the
陽極箔21は、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属で形成されている。図3に示すように、陽極箔21の表面は、エッチング処理により粗面化されるとともに、陽極酸化(化成)による陽極酸化皮膜21aが形成されている。さらに、陽極酸化皮膜21aの表面には、炭酸水素ナトリウム21bが分散されている。
また、陰極箔22も、陽極箔21と同様にアルミニウム等で形成され、その表面は粗面化されているとともに、自然酸化皮膜22aが形成されている。
The
The
また、セパレータ23は、導電性高分子からなる固体電解質層24を保持している。つまり、陽極箔21とセパレータ23との間、および、陰極箔22とセパレータ23の間には、固体電解質層24が形成されている。また、陽極酸化皮膜21aと固体電解質層24とに炭酸水素ナトリウム21bが分散されている。
固体電解質層24の導電性高分子としては、導電性および耐熱性に優れた、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、および、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)等を用いることができる。このような導電性高分子は、モノマーの化学重合により生成される。また、固体電解質層24には、ドーパントとしてp−トルエンスルホン酸が含有されている。なお、ドーパントとしてp−スチレンスルホン酸が含有されていてもよい。
The
As the conductive polymer of the
外装ケース4は、アルミニウム等からなり、有底筒形状に形成されている。そして、外装ケース4は、コンデンサ素子2を収納している。
The outer case 4 is made of aluminum or the like and is formed in a bottomed cylindrical shape. The outer case 4 houses the
封口材5は、外装ケース4の開口部を封止するものであり、樹脂やゴム等で形成されている。コンデンサ素子2のリード線25a、25bは、封口材5に形成された貫通孔を介して、外装ケース4から引き出されている。
The sealing
次に、固体電解コンデンサ1の製造方法について、図4を参照しつつ説明する。図4は、固体電解コンデンサ1の製造方法を示す工程フロー図である。先ず、電極の実効表面積を大きくするために、陽極箔21および陰極箔22にエッチング処理を施して表面を粗面化する(エッチング)。さらに、粗面化された陽極箔21の表面に化成処理を施して陽極酸化皮膜21aを形成する。そして、粗面化された陰極箔22の表面には、自然酸化皮膜22aが形成される(酸化皮膜形成)。
次に、陽極酸化皮膜21aが形成された陽極箔21および自然酸化皮膜22aが形成された陰極箔22を所定の寸法に裁断し、それぞれにリードタブを介してリード線25a、25bを接続するとともに、これら陽極箔21と陰極箔22とをセパレータ23を介して巻回する(電極箔巻回)。その後、アジピン酸アンモニウム水溶液中で、電圧を印加して素子化成を行い、さらに、セパレータ23の炭化処理を施して、円筒形のコンデンサ素子2を作製する(切り口化成)。
Next, a method for manufacturing the solid electrolytic capacitor 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a process flow diagram showing a method for manufacturing the solid electrolytic capacitor 1. First, in order to increase the effective surface area of the electrode, the
Next, the
作製したコンデンサ素子2を、ドーパントを含む酸化剤に浸漬することにより、コンデンサ素子2に酸化剤を含浸させる(酸化剤含浸)。次に、酸化剤を含浸させたコンデンサ素子2に、−80〜0℃の冷却雰囲気中において、モノマー溶液を滴下して含浸させる(モノマー含浸)。
The produced
その後、コンデンサ素子2を加熱することにより、酸化剤およびモノマーがさらに化学重合し、陽極箔21の陽極酸化皮膜21aおよび陰極箔22の自然酸化皮膜22aとセパレータ23との間に導電性高分子からなる固体電解質層24を形成する(固体電解質形成)。
Thereafter, by heating the
次に、室温にて、コンデンサ素子2を、表1に示す濃度の炭酸水素ナトリウム水溶液に3分間浸漬することにより、陽極箔21の陽極酸化皮膜21aと固体電解質層24との間に炭酸水素ナトリウム21bを分散させた。その後、100℃にて10分間乾燥を行った。
Next, by immersing the
そして、円筒形のコンデンサ素子2を有底筒状の外装ケース4に収納し、封ロ材5により開口部を封止して固体電解コンデンサ1を組み立てる(組み立て)。最後に、エージング処理を行い(エージング)、固体電解コンデンサ1を完成させた。
Then, the
以上のような固体電解コンデンサ1によると、陽極酸化皮膜21aと固体電解質層24との間に炭酸水素ナトリウム21bが分散されているため、固体電解質層24に含まれたドーパント(p−トルエンスルホン酸)が中和される。
これにより、陽極酸化皮膜21aの劣化が抑制されるので、固体電解コンデンサの静電容量の低下や、等価直列抵抗(ESR)の増加という固体電解コンデンサ1の経時劣化を抑制することができる。
According to the solid electrolytic capacitor 1 as described above, since the
Thereby, since the deterioration of the
次に、本発明の具体的な実施例を従来例と合わせて説明する。 Next, specific examples of the present invention will be described together with conventional examples.
[実施例1〜3]炭酸水素ナトリウム水溶液中浸漬、濃度比較
実施例1〜3では、炭酸水素ナトリウムの濃度を各々、3、5、10wt%とした炭酸水素ナトリウム水溶液中にコンデンサ素子を浸漬させて、陽極箔の酸化皮膜と固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させ、コンデンサ試料を作製した。なお、実施例3の炭酸水素ナトリウム濃度を10wt%としたものは30℃で飽和状態にある。
[Examples 1 to 3] Immersion in sodium hydrogen carbonate aqueous solution and comparison of concentration In Examples 1 to 3, the capacitor element was immersed in an aqueous sodium hydrogen carbonate solution having sodium bicarbonate concentrations of 3, 5, and 10 wt%, respectively. Then, sodium hydrogen carbonate was dispersed between the oxide film of the anode foil and the solid electrolyte layer to prepare a capacitor sample. In addition, what made the sodium hydrogencarbonate density | concentration of Example 3 10 wt% is in a saturated state at 30 degreeC.
(従来例)
従来例では、陽極箔の酸化皮膜と固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させなかった以外は、実施例1〜3と同様にして、コンデンサ試料を作製した。
(Conventional example)
In the conventional example, a capacitor sample was produced in the same manner as in Examples 1 to 3, except that sodium hydrogen carbonate was not dispersed between the oxide film of the anode foil and the solid electrolyte layer.
上記の実施例1〜3、および従来例の固体電解コンデンサの定格は、電圧2.5V、静電容量1200μFとした。 The ratings of the above-described solid electrolytic capacitors of Examples 1 to 3 and the conventional example were set to a voltage of 2.5 V and a capacitance of 1200 μF.
上記の実施例1〜3、および従来例の固体電解コンデンサについて、初期の電気特性(静電容量、tanδ、等価直列抵抗(ESR)、および漏れ電流)を測定し、125℃の恒温槽中にて定格電圧を2000時間印加した後、再度電気特性を測定した。その結果を表1に示す。 For the solid electrolytic capacitors of Examples 1 to 3 above and the conventional example, initial electrical characteristics (capacitance, tan δ, equivalent series resistance (ESR), and leakage current) were measured and placed in a constant temperature bath at 125 ° C. After applying the rated voltage for 2000 hours, the electrical characteristics were measured again. The results are shown in Table 1.
表1より明らかなように、実施例1〜3の固体電解コンデンサは、従来例と比較して、電圧印加後の静電容量の低下率、tanδ、ESRの増加率が小さく、特に漏れ電流の増加を抑制しており、電気特性が安定していることが分かる。また、炭酸水素ナトリウム濃度を、5wt%以上、10wt%(30℃飽和状態)以下とした水溶液を用いた場合が特に良好である。
このように陽極箔の酸化皮膜と固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させることにより、コンデンサ素子内の固体電解質に含まれたp−トルエンスルホン酸による陽極酸化皮膜の劣化が抑制され、固体電解コンデンサの電気特性の経時劣化が小さくなることが確認された。
As can be seen from Table 1, the solid electrolytic capacitors of Examples 1 to 3 have a lower rate of decrease in capacitance, tan δ, and ESR after voltage application, compared with the conventional example, and particularly the leakage current. It can be seen that the increase is suppressed and the electrical characteristics are stable. In addition, it is particularly preferable to use an aqueous solution having a sodium bicarbonate concentration of 5 wt% or more and 10 wt% (30 ° C. saturated state) or less.
Thus, by dispersing sodium hydrogencarbonate between the oxide film of the anode foil and the solid electrolyte layer, deterioration of the anodized film due to p-toluenesulfonic acid contained in the solid electrolyte in the capacitor element is suppressed, It was confirmed that the deterioration over time of the electrical characteristics of the solid electrolytic capacitor was reduced.
なお、上記実施例においては、固体電解質層の導電性高分子としてPEDOTを用いたが、ポリアニリン、ポリピロールまたはポリチオフェンを用いた場合にも同様の効果が得られることが確認されている。 In the above examples, PEDOT is used as the conductive polymer of the solid electrolyte layer, but it has been confirmed that the same effect can be obtained when polyaniline, polypyrrole or polythiophene is used.
1 固体電解コンデンサ
2 コンデンサ素子
4 外装ケース
5 封口材
21 陽極箔
21a 酸化皮膜
21b 炭酸水素ナトリウム
22 陰極箔
23 セパレータ
24 固体電解質層
25a、25b リード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid
Claims (4)
前記陽極箔と前記固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させることを特徴とする固体電解コンデンサ。 An anode foil having an oxide film formed on the surface and a cathode foil are wound through a separator, and a capacitor element in which a solid electrolyte layer made of a conductive polymer is held in the separator is housed in the capacitor element A solid electrolytic capacitor with a case to be
A solid electrolytic capacitor, wherein sodium hydrogen carbonate is dispersed between the anode foil and the solid electrolyte layer.
前記コンデンサ素子を形成するコンデンサ素子形成工程と、
前記コンデンサ素子を炭酸水素ナトリウム溶液に浸漬することによって、前記陽極箔と前記固体電解質層との間に炭酸水素ナトリウムを分散させる炭酸水素ナトリウム分散工程とを備えていることを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。 An anode foil having an oxide film formed on the surface and a cathode foil are wound through a separator, and a capacitor element in which a solid electrolyte layer made of a conductive polymer is held in the separator is housed in the capacitor element A method of manufacturing a solid electrolytic capacitor comprising a case to be manufactured,
A capacitor element forming step of forming the capacitor element;
A solid electrolytic capacitor comprising a sodium hydrogen carbonate dispersion step for dispersing sodium hydrogen carbonate between the anode foil and the solid electrolyte layer by immersing the capacitor element in a sodium hydrogen carbonate solution Manufacturing method.
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