JP2011216752A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

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Kenji Machida
Kazuhiro Takeda
Kenji Tamamitsu
積洋 武田
賢次 玉光
健治 町田
望 神山
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日本ケミコン株式会社
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Abstract

【課題】導電性高分子の分散溶液を用いてコンデンサ素子中に導電性高分子層を形成した固体電解コンデンサにおいて、高容量、低ESRの固体電解コンデンサを提供することにある。
【解決手段】
本発明の固体電解コンデンサは、弁金属からなる陽極体と、陽極体の表面に誘電体酸化皮膜層と固体電解質層と陰極層が順次形成された固体電解コンデンサであって、陽極体に超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸して固体電解質を形成しているので、導電性高分子の分散溶液の分散性が高まり、その導電性高分子の分散粒子を陽極体の表面に堆積して固体電解質を形成することになり、したがって、均一な固体電解質が形成されることによるものと思われるが、ESRが低減する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、固体電解コンデンサにかかり、特に導電性高分子の分散溶液より固体電解質層を形成した固体電解コンデンサに関する。

アルミニウム等のような弁作用を有する金属を利用した電解コンデンサは、陽極電極としての弁作用金属をエッチング箔等の形状にして誘電体を拡面化することにより、小型で大きな容量を得ることができることから、広く一般に用いられている。特に、電解質に固体電解質を用いた固体電解コンデンサは、小型、大容量、低等価直列抵抗であることに加えて、チップ化しやすく、表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化に欠かせないものとなっている。

固体電解コンデンサに用いられる固体電解質としては、電導度が高く、陽極電極の酸化皮膜層との密着性に優れた導電性高分子が固体電解質として用いられている。この導電性高分子としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンやこれらの誘導体等が知られている。

例えば、特許文献1では、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子にEDOT及び酸化剤溶液を含浸し、加熱して、両電極間にPEDOTポリマー層を形成し、固体電解コンデンサを形成することが開示されている。

そして、この特許文献1の固体電解コンデンサでは、酸化剤溶液がかなりの酸性を示すため、酸化皮膜である誘電体層を腐食させ、等価直列抵抗の増加が生じ、また耐電圧が低下するため、該誘電体の腐食を防止すべく、陽極箔の表面に、酸性度を弱めた、もしくはアルカリ処理した導電性高分子の分散溶液を塗布し、乾燥することで、固体電解質を形成し、この固体電解質層の表面に重合性モノマーを重合してなる固体電解質を形成した固体電解コンデンサが特許文献2に開示されている。

特開平09−293639号公報 特開2007−184317号公報

しかしながら、特許文献2のような固体電解コンデンサにおいては、工程が煩雑となり、したがって、アルカリ処理した導電性高分子の分散溶液を塗布し、乾燥することで、固体電解質を形成してなる固体電解コンデンサにおいて、耐電圧を高めることが求められている。

そこで、本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、導電性高分子の分散溶液にて固体電解質層を形成した固体電解コンデンサにおいて、容量が大きく、ESRの低い固体電解コンデンサを提供することにある。

本発明の固体電解コンデンサは、弁金属からなる陽極体と、陽極体の表面に誘電体酸化皮膜層と固体電解質層と陰極層が順次形成された固体電解コンデンサであって、陽極体に超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸して固体電解質を形成したことを特徴とする。

また、前記固体電解コンデンサにおいて、導電性高分子の分散溶液が、界面活性剤を含む水溶液中で重合性モノマーと酸化剤を混合した後、超高圧処理で分散処理を施して作製されることを特徴とする。

本発明によれば、超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸して固体電解質を形成するので、導電性高分子の分散溶液の分散性が高まり、その導電性高分子の分散粒子を陽極体の表面に堆積して固体電解質を形成することになり、したがって、均一な固体電解質が形成されることによるものと思われるが、容量が増加し、ESRが低減する。

以下、本発明の固体電解コンデンサの最良の実施形態を説明する。本発明の固体電解コンデンサは、アルミニウム等の弁作用金属からなり、表面に酸化皮膜層が形成された陽極体を、超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸し、引き上げた後、乾燥して固体電解質層を形成する。この陽極体の表面に陰極引き出し層としてのカーボン層、その上に導電性層としての銀層を形成して固体電解コンデンサを形成する。

また、以下に示す巻回型の電解コンデンサに用いることもできる。すなわち、アルミニウム等の弁作用金属からなり、表面に酸化皮膜層が形成された陽極箔と、陰極箔とを、合成繊維の不織布を含有するセパレータを介して巻回又は積層してコンデンサ素子を形成する。そして、このコンデンサ素子にリン酸を含有する水溶液中に浸漬し電圧印加する修復化成や上記合成繊維のバインダーを溶解させる温水浸漬処理等が施された後、このコンデンサ素子を超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸し、乾燥させて固体電解質層を陽極箔と陰極箔の間に形成する。このコンデンサ素子に乾燥工程を施した後、金属ケース等の外装ケースに収納するとともに該外装ケースの開口部を封口ゴムにて封止して、固体電解コンデンサが製造される。

陽極箔は、アルミニウム等の弁作用金属箔からなり、その表面を、塩化物水溶液中での電気化学的なエッチング処理により粗面化して多数のエッチングピットが形成され、更にこの陽極箔の表面には、ホウ酸アンモニウム等の水溶液中で電圧を印加して誘電体となる酸化皮膜層が形成されている。

また、導電性高分子の分散溶液は、界面活性剤を含む水溶液中で重合性モノマーと酸化剤を混合した後、超高圧処理で分散処理を施して作成することができる。さらには、導電性高分子の粒子を形成し、この粒子を水溶媒中に分散し、この分散溶液に超高圧処理で分散処理を施して作製してもよい。

巻回型の固体電解コンデンサに用いる陰極箔は、陽極箔と同様にアルミニウム等の弁作用金属箔からなり、(1)表面にエッチング処理を施したもの、(2)エッチング処理を施さないプレーン箔を用いたもの、(3)前記(1)又は(2)の表面に酸化皮膜を形成したもの、(4)前記(1)、(2)又は(3)の表面にチタンやニッケル等の金属やその炭化物、窒化物、炭窒化物又はこれらの混合物からなる金属薄膜層や、その他カーボン薄膜を形成したものがあげられる。

巻回型の固体電解コンデンサにおいては、陽極箔及び陰極箔にはそれぞれの電極を外部に接続するためのリード線が、ステッチ、超音波溶接等の公知の手段により接続されている。このリード線は、アルミニウム等からなり、陽極箔、陰極箔との接続部と外部との電気的な接続を担う外部接続部からなり、巻回又は積層したコンデンサ素子の端面から導出される。

セパレータは、合成繊維の不織布を含むものであり、合成繊維としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、それらの誘導体などのポリエステル系繊維、ビニロン系繊維、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド等のポリアミド系繊維、ポリイミド系繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、トリメチルペンテン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、アクリル繊維等があげられ、これらの繊維を単独で又は複数の繊維を配合して用いられる。中でも、耐熱性を有し、その分解温度が300℃であるアクリル繊維や、その他、ポリエチレンテレフタレート、アラミド繊維、ポリアミド系繊維が好適である。ここで、半芳香族ポリアミドとは、主鎖の一部に例えば、脂肪鎖などを有するものを指すが、これに限定されるものではない。

コンデンサ素子は、その後、金属ケース等の外装ケースに収納され、該外装ケースの開口部を封口ゴムにて封止するとともに、所定温度にて定格電圧を印加するエージング処理が施される。

次に、陽極体に含浸する導電性高分子の分散溶液について説明する。導電性高分子の分散溶液は、溶媒に導電性高分子の微粒子を分散させた溶液である。この導電性高分子の微粒子は、概してその粒径は、100nm以下と極めて小さいものである。導電性高分子としては、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリアセチレン類、ポリフェニレン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリアニリン類、ポリアセン類、ポリチオフェンビニレン類、及びこれらの共重合体等が挙げられる。中でも重合の容易さ、空気中での安定性の点からは、ポリピロール類、ポリチオフェン類及びポリアニリン類が好ましい。ポリチオフェン類の中では、ポリエチレンジオキシチオフェンが酸化形態で非常に高い導電性を有するので好ましい。導電性高分子の分散溶液の溶媒としては、水及び/又は有機溶剤が挙げられる。この分散溶液には、ポリスチレンスルホン酸等のスルホン酸系のドーパントを含有させることが好ましく、その他、界面活性剤や有機バインダー等を含有させてもよい。また導電性高分子の分散溶液中の導電性高分子の微粒子の濃度は該して1〜5wt%の範囲が好ましい。

コンデンサ素子に導電性高分子の分散溶液を含浸した後、100〜200℃の温度範囲にて乾燥して、導電性高分子の分散溶液から溶媒等を除去して、コンデンサ素子の陽極箔と陰極箔間に固体電解質層を形成する。ここでいう含浸とは、コンデンサ素子中に分散溶液を含ませる処理をいい、例えば前記コンデンサ素子を分散溶液に浸漬することでコンデンサ素子中に分散溶液を含ませることもできる。なお導電性高分子の分散溶液の導電性高分子の微粒子の濃度は低いため、コンデンサ素子中への固体電解質層の搭載量を確保するにも、上記含浸−乾燥工程は複数回行うことが好ましい。この含浸工程は、常圧化で行うこともできるが、減圧下又は加圧下で行うことで、陽極箔及び陰極箔のエッチングピットの深部にまで、固体電解質層を形成することができる。

超高圧処理は、上記のようにして得られた分散溶液を所定の金属チャンバーに導入し、100〜280MPaの超高圧を印加する。なお、金属チャンバーとしては、スリット式チャンバー、ボール衝突チャンバー等を用いることができる。

上記のようにして超高圧を印加することにより、分散溶液と金属チャンバーの壁面、分散溶液と金属チャンバー内に設置されたスリット、あるいは、分散溶液と金属チャンバー内に導入されたボール等が高エネルギーで衝突し、これによりポリマー粒子の二次凝集体がほぐれ、またポリマーの一次粒子もさらに細分化される。また、超高圧を印加することにより、溶液同士も高エネルギーで混じり合うため、これによってもポリマー粒子の二次凝集体がほぐれ、またポリマーの一次粒子もさらに細分化される。

(実施例1)
2.5 mmolの3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDOT)モノマーおよび3.75 mmolのポリスチレンスルホン酸(平均分子量:75,000)を200mLの蒸留水に混ぜ、30分攪拌した後、0℃に保持した。そこへ1 mmolの硫酸第二鉄粉末を一気に投入した。続いて6.5 mmolのペルオキソ二硫酸アンモニウムを50mLの水に溶かし、それを少しずつ滴下した。滴下終了後、0℃を維持したまま12時間攪拌した。
得られたPEDOTディスパージョンのpHを3に調製し、PEDOT濃度を1 wt%に調製した。
得られたPEDOTディスパージョンを所定の金属チャンバーに導入し、200MPaの超高圧を印加した。20回くり返し処理を行った。
超高圧分散処理を施したPEDOTディスパージョンに、10wt%のエチレングリコール、1wt%のポリエチレングリコール(分子量200)を加え、5分間攪拌した。また、pHを8に調整した。続いて、そのディスパージョンを3Vの酸化皮膜を形成させた1cm2アルミニウムエッチング箔へ100μL滴下し、60℃1時間、130℃30分、180℃1時間乾燥を行い、アルミニウムエッチング箔上へPEDOT膜を形成させた。さらに陰極引き出し層としてカーボン層および銀層を塗布し、固体電解コンデンサを作製した。

(実施例2)
150Vの酸化皮膜を形成させたアルミニウムエッチング箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、固体電解コンデンサを作製した。

(比較例1)
PEDOTディスパージョンの分散を、PEDOTディスパージョンをビーカーに容れ、市販のホモジナイザーにて、回転数は20000rpm、10分間処理を行った以外は、実施例1と同様にして、固体電解コンデンサを作製した。

(比較例2)
PEDOTディスパージョンの分散を、PEDOTディスパージョンをビーカーに容れ、市販のホモジナイザーにて、回転数は20000rpm、10分間処理を行った以外は、実施例2と同様にして、固体電解コンデンサを作製した。

得られた固体電解コンデンサの容量出現率、ESR、tanδ、を評価した。結果を(表1)に示す。(表1)からわかるように、実施例においては、3V、150Vの固体電解コンデンサにおいて、比較例より容量出現率、ESR、tanδともに、低い値を示しており、本願発明の効果が明らかである。

Claims (2)

  1. 弁金属からなる陽極体と、陽極体の表面に誘電体酸化皮膜層と固体電解質層と陰極層が順次形成された固体電解コンデンサであって、陽極体に超高圧処理で分散処理を施した導電性高分子の分散溶液を含浸して固体電解質を形成した固体電解コンデンサ。
  2. 導電性高分子の分散溶液が、界面活性剤を含む水溶液中で重合性モノマーと酸化剤を混合した後、超高圧処理で分散処理を施して作製される請求項1記載の固体電解コンデンサ。
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