JP2021168384A - 電極構造材料及び電極構造材料の製造方法、電解コンデンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】電極構造材料及び電極構造材料の製造方法、電解コンデンサを提供する。【解決手段】本発明による方法は、基材を提供して、前記基材を移動可能な操作テーブル上に置くステップと、前記基材の上方に位置するノズルを底部に有する溶融炉内の金属原料をレーザで溶融して金属融液を形成し、金属融液を前記基材に連続的に堆積させるステップと、前記金属融液を前記基材に接触させた後、前記操作テーブルを所定の軌跡に従って移動させて、前記基材に金属繊維からなる繊維層を形成するステップと、を含み、前記ノズルの内径及び前記操作テーブルの移動速度を調整することにより、前記金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍを満たすようにすることができる。該方法は、電極構造材料を簡便かつ迅速に得ることができ、該電極構造材料で製造された化成箔は、優れた曲げ強度、及び大きな比容量を有し、電解コンデンサの陽極の製造に適している。【選択図】図１
Description
本発明は、材料の分野に関し、具体的には、電極構造材料及び電極構造材料の製造方法、電解コンデンサに関する。
電解コンデンサは、独自の特性を有しているため、家庭用電気機械器具に広く使用されている。近年、電子製品の集積化のニーズに対応するため、小型化、高容量、及び低コストが電解コンデンサの主な発展方向となっている。これにより、電解コンデンサには良好な機械的特性と大きな比容量が求められる。陽極箔は電解コンデンサの重要な原料であり、電解コンデンサの上記の特性に対応するために、陽極箔にも高比容量と良好な強度が求められる。現在、陽極箔を形成する方法には、主に電気化学的腐食技術と粉末積層技術がある。
しかし、現在の電極構造材料及び電極構造材料の製造方法、電解コンデンサには、まだ改善する余裕がある。
本出願は、以下の事実及び問題についての発明者の発見及び知見に基づいて行われる。
現在、電解コンデンサに適用されている化成箔のほとんどは、平面状の金属基体を処理したものである。具体的には、電気化学的腐食技術は、塩素を含む高温酸性電解液中でアルミニウム箔に直流電流を印加することにより、アルミニウム箔の表面に多数のトンネル孔を形成することである。このため、比容量の高い腐食化成箔を得るためには、電食を比較的低温で長時間行う必要があり、その結果、電極箔の曲げ強度が不十分になり、小型化のニーズを満たすことが困難である。また、電気化学的腐食により生じる硫酸、塩酸や硝酸などの酸性廃液の処理が困難であり、環境保全のためのコストが増加している。さらに、電気化学的腐食技術は金属基体の種類に対しても一定の要求があり、現在の電気化学的腐食技術は、主にアルミニウム箔に対するものであり、タンタル、ニオブ等の貴金属電解コンデンサを生産することが困難である。一方、粉末積層技術は金属担体に金属粉末を塗布した後に焼結して積層電極箔を形成することであり、このため、積層箔は金属粉末（粒径分布、粉末形状）と焼結技術の両方に対する要求が高い。既存の設備では、均一な粒径の粉末を得ることは困難であり、焼結過程でＶＯＣガスが大量発生する。また、金属粉末は粒子の形態として堆積するので、化成後に亀裂が入りやすく、電極箔の曲げ強度が低くなる。したがって、高曲げ強度と高比容量を維持できる新たな化成箔電極構造及びその製造方法を開発することができれば、上記の問題を緩和し、さらには解決するのに有利である。
本発明は、上記の関連技術における技術的課題の少なくとも１つをある程度解決することを目的とする。そのために、本発明は、電極構造材料の製造方法を提案する。該方法は、基材を提供して、前記基材を移動可能な操作テーブル上に置くステップと、前記基材の上方に位置するノズルを底部に有する溶融炉内の金属原料をレーザで溶融して金属融液を形成し、金属融液を前記基材に連続的に堆積させるステップと、前記金属融液を前記基材に接触させた後、前記操作テーブルを所定の軌跡に従って移動させて、前記基材に金属繊維からなる繊維層を形成するステップとを含み、前記ノズルの内径及び前記操作テーブルの移動速度を調整することにより、前記金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍの条件を満たすようにすることができる。該方法は、電極構造材料を簡便かつ迅速に得ることができ、該電極構造材料で製造された化成箔は、優れた曲げ強度、及び大きな比容量を有し、電解コンデンサの陽極の製造に適している。
本発明の実施例によれば、前記溶融炉はセラミック溶融炉であり、前記レーザ光源は、前記金属原料を照射して溶融できるように構成される。これにより、金属融液を簡便に得ることができる。
本発明の実施例によれば、前記ノズルの内径が０．５〜１０００μｍであり、
前記操作テーブルが前記ノズルに対して移動する速度は５０〜１５０ｍｍ／ｓである。これにより、金属繊維の直径を良好に制御し、比容量がより理想的な電極構造材料を得ることができる。
前記操作テーブルが前記ノズルに対して移動する速度は５０〜１５０ｍｍ／ｓである。これにより、金属繊維の直径を良好に制御し、比容量がより理想的な電極構造材料を得ることができる。
本発明の実施例によれば、前記溶融炉には、前記金属融液の融液流速を１〜２０ｍＬ／ｈに制御可能な流体制御スラスタがさらに接続されている。これにより、金属融液の流速を簡便に制御することができる。
本発明の実施例によれば、前記所定の軌跡は、第１の所定のパターンと、第２の所定のパターンとを含み、前記第１の所定のパターンは、第１の方向に延びる複数の平行線を含み、前記第２の所定のパターンは、第２の方向に延びる複数の平行線を含み、前記第１の所定のパターンにおける隣接する２本の平行線間の間隔は０．１〜１０００μｍであり、前記第２の所定のパターンにおける隣接する２本の平行線間の間隔は０．１〜１０００μｍである。これにより、形成された繊維層中の金属繊維が規則的に配列され、電極構造材料の比容量を向上させるのに有利である。
本発明の実施例によれば、前記第１の所定のパターン及び前記第２の所定のパターンに従って前記操作テーブルを移動させるステップを複数回繰り返すことにより、金属繊維からなる複数のサブ層が積層された前記繊維層を前記基材に形成するステップと、対向する第１の面と第２の面とを有する前記基材の前記第１の面に前記繊維層を形成した後、前記基材の前記第２の面を前記溶融炉に対向させて配置し、前記繊維層を形成する操作を繰り返すことにより、前記第２の面に前記繊維層を形成するステップとのうちの少なくとも１つをさらに含む。これにより、基板の両面ともに繊維層を形成してサンドイッチ型構造を構成することができ、該電極構造材料の比容量をさらに向上させるのに有利である。
本発明の実施例によれば、前記基材及び前記金属を形成する原料は、それぞれ独立してアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム又はハフニウムを含む弁金属を含む。これにより、該方法により得られる電極構造材料の特性をさらに向上させるのに有利である。
本発明の別の態様において、本発明は、電極構造材料を提案する。該電極構造材料は、基材と、規則的に配列された複数の金属繊維を含み、前記金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍの条件を満たす繊維層とを含む。該電極構造材料は、比容量が高く、曲げ特性が良いなどの利点があり、電解コンデンサの陽極箔の製造に適している。
本発明の実施例によれば、前記電極構造材料は、上記方法を利用して得られたものである。これにより、該電極構造材料は、製造コストが安く、環境にやさしい等の利点の少なくとも１つを有する。
本発明のさらに別の態様において、本発明は電解コンデンサを提案する。該電解コンデンサは、前記電極構造材料を含む陽極と、電解質及び導電性電極を含む陰極とを含む。これにより、該電解コンデンサは、前記極構造材料が有するすべての特徴及び利点を有しており、ここでは再度言及しない。一般的には、該電解コンデンサは、比容量が高く、電気化学インピーダンスが小さく、陽極の機械的特性が良いなどの利点の少なくとも１つを有する。
以下、本発明の実施例について詳細に説明し、前記実施例の一例を図面に示す。図面を参照して以下に説明する実施例は、本発明を説明するための例示的なものであり、本発明を制限するものとして理解できない。特に断らない限り、本発明で使用されているすべての技術用語は、当業者によって通常理解されているものと同じ意味を有する。本発明に係るすべての特許及び開示出版物は、引用により全体として発明に組み込まれる。用語「備える」又は「含む」は、オープンな表現であり、すなわち、本発明によって記載される内容を含むが、他の態様の内容を排除するものではない。
本発明の一態様において、本発明は、電極構造材料の製造方法を提案する。該方法は、金属粉末又はブロックをレーザで加熱して溶融させ、金属融液を形成し、移動可能な操作テーブルを用いて基材を所定の経路にしたがって移動させ、金属融液が規則的に配列された金属繊維を基材上に形成するようにする。複数の金属繊維が積層されて繊維層を形成し、それにより、該電極構造材料が得られる。
前述したように、平面箔に基づいて、電気化学的腐食技術によって形成された化成箔であっても、粉末積層技術によって形成された化成箔であっても、特性を向上させる必要がある。本発明の実施例に係る電極構造材料は、平面金属基材上に繊維層を有しており、繊維を一定の配列で積層することにより、電解コンデンサの陽極箔としてより適した表面形態を該電極構造材料に提供することができる。具体的には、一方では、金属繊維からなる繊維層は、より高い表面積を有することができ、化成した化成箔の表面積も大きい。他方では、化成は繊維層のみに行うことができ、このように、利用可能な表面形態の破壊が少なく、さらに基材が腐食されず、これにより、最終的に得られた化成箔に良好な機械的支持を提供することができる。また、金属繊維が積層して形成した繊維層が陽極箔表面の孔径範囲及び孔径分布の均一性を決定する要因となるので、電気化学的腐食又は焼結により形成された構造に比べて、繊維層の表面形態はより制御可能であり、同一ロットの製品又は異なるロットの製品間により良い再現性を有する。また、該方法は、金属材料をレーザで加熱するため、複雑な焼結過程や環境に優しくない酸腐食過程を伴わないので、環境コストが低い。該電極構造材料の材質はアルミニウムに制限されず、アルミニウム、タンタル、ニオブのいずれかを含むが、これらに制限されないものを用いて形成できる。
以下、本発明の特定実施例により、該方法の各ステップについて詳細に説明する。具体的には、図１を参照すると、該方法は、ステップＳ１００とステップＳ２００を含む。
Ｓ１００：基材を提供する。
本発明の実施例によれば、このステップにおいて、まず、基材を提供する。前述したように、基材の具体的な材料は特に制限されず、たとえば弁金属であってもよく、具体的には、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム、又はハフニウムを含み得るが、これらに制限されない。基材の厚さも特に制限されるものではなく、当業者は必要な箔化の具体的要件に基づいて設計することができる。本発明の方法により得られた電極構造材料の化成後の「サンドイッチ」厚さが基本的に基材により提供され、化成中に基材の厚さが著しく減少することはないので、基材の厚さを選択することにより化成箔のサンドイッチ厚さを制御することができる。たとえば、本発明の特定実施例によれば、基材の厚さは５〜８０μｍ、たとえば１０〜５０μｍであってもよい。発明者は、基材の厚さが薄すぎると、該電極構造材料で形成された化成箔を用いて陽極箔を製造する際に電極材料の引張強度が不足することになり、一方、基材の厚さが厚すぎると、電極材料の曲げ強度が低下することになることを見出した。基材の厚さが上記の範囲内であれば、電解コンデンサの電極のほとんどの要件を満たすことができる。本発明のいくつかの特定実施例によれば、基材の厚さは１０〜４０μｍ、具体的には２０〜３０μｍ、たとえば２５μｍ、２８μｍなどであってもよい。これにより、該電極構造材料の機械的特性をさらに向上させることができる。基材を提供するステップは、平面状基材を形成するステップを含むことができ、平面状基材に切断、研磨、洗浄などの操作を含むステップを含むこともできることは当業者に理解できる。
本発明の実施例によれば、このステップにおいて、まず、基材を提供する。前述したように、基材の具体的な材料は特に制限されず、たとえば弁金属であってもよく、具体的には、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム、又はハフニウムを含み得るが、これらに制限されない。基材の厚さも特に制限されるものではなく、当業者は必要な箔化の具体的要件に基づいて設計することができる。本発明の方法により得られた電極構造材料の化成後の「サンドイッチ」厚さが基本的に基材により提供され、化成中に基材の厚さが著しく減少することはないので、基材の厚さを選択することにより化成箔のサンドイッチ厚さを制御することができる。たとえば、本発明の特定実施例によれば、基材の厚さは５〜８０μｍ、たとえば１０〜５０μｍであってもよい。発明者は、基材の厚さが薄すぎると、該電極構造材料で形成された化成箔を用いて陽極箔を製造する際に電極材料の引張強度が不足することになり、一方、基材の厚さが厚すぎると、電極材料の曲げ強度が低下することになることを見出した。基材の厚さが上記の範囲内であれば、電解コンデンサの電極のほとんどの要件を満たすことができる。本発明のいくつかの特定実施例によれば、基材の厚さは１０〜４０μｍ、具体的には２０〜３０μｍ、たとえば２５μｍ、２８μｍなどであってもよい。これにより、該電極構造材料の機械的特性をさらに向上させることができる。基材を提供するステップは、平面状基材を形成するステップを含むことができ、平面状基材に切断、研磨、洗浄などの操作を含むステップを含むこともできることは当業者に理解できる。
Ｓ２００：金属融液をレーザで形成し、前記基材に繊維層を形成する。
本発明の実施例によれば、このステップにおいて、金属融液をレーザで形成し、繊維層を形成する。具体的には、このステップにおいて、溶融炉内の金属原料をレーザで溶融して金属融液を形成し、金属融液を基材上に連続的に堆積させ、金属融液を基材に接触させた後、操作テーブルを所定の軌跡に従って移動させ、基材上に金属繊維を形成する。規則的に配列された金属繊維は、積層されて繊維層を形成する。
本発明の実施例によれば、このステップにおいて、金属融液をレーザで形成し、繊維層を形成する。具体的には、このステップにおいて、溶融炉内の金属原料をレーザで溶融して金属融液を形成し、金属融液を基材上に連続的に堆積させ、金属融液を基材に接触させた後、操作テーブルを所定の軌跡に従って移動させ、基材上に金属繊維を形成する。規則的に配列された金属繊維は、積層されて繊維層を形成する。
具体的には、図２を参照すると、金属融液を形成する操作は、不活性保護ガスを充填可能な密閉操作ボックス７のような密閉容器内で行うことができる。溶融炉２内に金属原料を投入し、レーザ１を照射して金属を完全に溶融させて使用に備えることができる。金属原料は、たとえばアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム又はハフニウムなどの弁金属であってもよく、具体的な材料は特に制限されない。金属原料は粉末又はブロックであってもよく、金属原料の形態は、レーザを用いて金属融液を形成できる限り、特に制限されない。溶融炉２は、耐高温溶融炉、たとえばセラミック溶融炉であってもよい。形成された金属融液が少なすぎ、後続の金属繊維の直描過程に影響を与えたり、溶融金属が過剰になり、融液が新たに凝固して溶融炉の底部のノズル８を閉塞したりすることを防止するように、溶融炉内の金属原料の質量は０．１〜１００ｋｇとすることができる。保護ガスは、アルゴンガス、窒素ガス、アルゴン水素混合ガスの１つ又は組み合わせであってもよい。レーザ１のパワーは、金属原料を溶融させることができれば、特に制限されるものではなく、特定の金属原料の材質に応じて当業者が選択することができる。本発明のいくつかの実施例によれば、レーザ１のパワー範囲は１０６〜１０８Ｗ／ｃｍ３であってもよい。
金属融液を形成する前に、基材１００を操作テーブル上に置く。操作テーブルは、昇降可能なベース６を備えたｘ−ｙ２軸制御スライドテーブル９とすることができる。金属融液が形成された後、溶融炉２と、ノズル８に対して相対的に移動可能な操作テーブルとを用いて、基材１００上に金属繊維の直描操作を行うことができる。流体推進制御ポンプ３は、金属融液の流速を制御するためにノズル８に接続されていてもよい。適切な金属融液直描パラメータを設定することにより、金属基材の表面に秩序構造の３次元金属繊維からなる繊維層を得ることができる。
本発明の特定実施例によれば、金属融液の直描パラメータは、操作テーブルの移動経路、溶融炉２の底部におけるノズル８の内径、金属融液の補給速度、操作テーブルの移動速度、及び直描距離（すなわち、ノズル８から基材１００の表面までの距離）などを含むことができる。上記パラメータを設計することにより、基材１００上に適度な直径と配列間隔を有する連続金属繊維を得ることができる。規則的に配列された金属繊維を多層に積層して規則的な網目構造を形成することにより、３Ｄ繊維層を得ることができる。これにより、繊維層は該電極構造材料に大きな比表面積を提供することができ、このようにして、化成による化成箔は大きな比容量を有し、電解コンデンサの電極材料として好適である。
本発明の特定実施例によれば、このステップで形成される金属繊維の直径Ｄは、０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍを満たすことができる。具体的には、０．３〜２０μｍであってもよく、１０μｍ以下であってもよく、たとえば、０．５μｍ、０．８μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍ、７μｍ、８μｍ、１５μｍなどであってもよい。発明者は、上記範囲内の直径を有する繊維は、該電極構造材料の比表面積を効果的に向上させ、該電極構造材料を用いて得られる化成箔の比容量を向上させることができ、繊維の直径が大きすぎることにより比表面積を効果的に向上できなかったり、繊維の直径が小さすぎることにより化成中に損失したりすることもないことを見出した。
具体的には、基材１００上の金属繊維の直径は、ノズル８の内径、操作テーブルの移動速度、及び金属融液の流速によって制御することができる。前述したように、溶融炉内の金属原料は、金属融液となると、ノズル８から下方に向かって連続的に堆積する。金属融液が下方の基材１００に接触すると、基材１００の表面に「半月板」状の接触面が形成される。このとき、金属繊維を実現するために、所定の経路に沿って操作テーブルを移動し始める。操作テーブルの移動方向によって金属繊維の配列が決定され、操作テーブルの移動中に基材１００上に落下した金属融液が引き伸ばされ、ノズル８の直径よりもわずかに小さい直径の金属繊維が形成される。したがって、ノズル８の内径、操作テーブルの移動速度、及び金属融液の流速を制御することにより、基材１００上に形成される金属繊維の直径を制御することができる。具体的には、ノズル８の内径は０．５〜１０００μｍであってもよい。たとえば０．５〜１０μｍであってもよく、具体的には０．５〜２μｍであってもよい。操作テーブルがノズル８に対して移動する速度は５０〜１５０ｍｍ／ｓ、具体的には５０〜１００ｍｍ／ｓであってもよい。これにより、金属繊維の直径を良好に制御し、比容量がより理想的な電極構造材料を得ることができる。融液流速は１〜２０ｍＬ／ｈ、たとえば、３ｍＬ／ｈ、５ｍＬ／ｈ、６ｍＬ／ｈ、８ｍＬ／ｈ、１０ｍＬ／ｈ、１５ｍＬ／ｈなどに制御することができ、直描距離は０．５〜３ｍｍ、すなわち、ノズル８から基材１００までの間隔は０．５〜３ｍｍであってもよい。具体的には０．８ｍｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、１．８ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍなどであってもよい。これにより、金属繊維が連続し、比容量が理想的な繊維層を形成することができる。
操作テーブルの移動に関する所定の軌跡は特に制限されず、所望の繊維層の３Ｄ配列に合わせて設計することができる。具体的には、操作テーブルの移動経路は３Ｄ移動経路であってもよく、Ａｕｔｏ ＣＡＤ、Ｏｒｉｇｉｎ、Ｅｘｃｅｌ、又はＣ言語などを含むが、これらに制限されない手段により予めプログラムされてオペレーティングシステムに導入され、ｘ−ｙ２軸制御スライドテーブル９を制御することによって実現されてもよい。具体的には、図５及び図６を参照すると、所定の軌跡は、第１の所定のパターン２１０’と第２の所定のパターン２２０’とを含むことができる。具体的には、第１の所定のパターンは、第１の方向に延びる複数の平行線を含み、隣接する２つの平行線は、両端が接続されて弓字形曲線となる。操作テーブルは、まず、第１の所定のパターンに従って移動して、基材１００上に、図中の２１０’に示されるような形状の金属繊維を形成する。隣接する２本の平行線間の間隔は、図１に示すＤ１のように０．１〜１０００μｍである。その後、操作テーブルは第２の所定のパターンに従って移動して、基材１００上に図中の２２０’に示される形状の金属繊維を形成する。第１の所定方向と第２の所定方向との間の夾角は、形成された繊維層内の隣接する２つのサブ層の金属繊維間の夾角である。第１の所定方向と第２の所定方向と互いに垂直であってもよく、ｘ−ｙ２軸制御スライドテーブル９のｘ方向とｙ方向とすることができる。第２の所定のパターンにおける隣接する２本の平行線間の間隔は、図に示すＤ２のように０．１〜１０００μｍであってもよい。本発明の好ましい実施例によれば、第１の所定のパターンにおける２本の平行線間の間隔と、第２の所定のパターンにおける２本の平行線間の間隔とは等しくてもよい。これにより、最終的に規則的な井字形格子のように配列された金属繊維網目を基材１００上に形成することができる。本発明のいくつかの例によれば、Ｄ１及びＤ２の範囲は、それぞれ独立して、０．０５〜５μｍ、０．１〜１μｍであってもよく、あるいはそれぞれ独立して、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、１００μｍなどであってもよく、あるいは２００μｍ、３００μｍであってもよく、あるいは５００μｍより大きいなどであってもよい。このステップにおいて、所定のパターンにおける隣接する２本の線の間の間隔は、得られた繊維層における隣接する２本の金属繊維間の間隔であることは当業者に理解できる。
その後、第１の所定のパターン及び第２の所定のパターンに従って操作テーブルを複数回移動させて、複数のサブ層が積層されて形成された繊維層を形成することができる。本発明の実施例によれば、繊維層の厚さ、サブ層の数等は特に制限されず、たとえば、繊維層の総厚は２０〜８０μｍであってもよい。これにより、該電極構造材料の特性をさらに向上させることができる。たとえば、繊維層は、薄すぎると、該電極構造材料に十分な比表面積を提供することが困難であり、さらに、製造された化成箔の比容量が理想的ではない。一方、厚すぎると、サブ層が基材から剥離するなどの不良を引き起こし、電極構造が不安定になる可能性がある。本発明の他の例によれば、上記繊維層は、基材の対向する両面ともに形成されていてもよい。具体的には、図４を参照すると、基材の第１の表面に繊維層（たとえば、図に示す２００A）を形成した後、基材１００の第２の表面を溶融炉に対向させて配置し、繊維層を形成する操作を繰り返すことにより、第２の繊維層２００Ｂを形成してもよい。繊維層２００Ａ及び第２の繊維層２００Ｂは、いずれも積層された複数のサブ層構造を有していてもよい。これにより、該電極構造材料の比容量をさらに向上させることができる。
なお、該方法で製造された電極構造材料は、金属繊維の表面の少なくとも一部を覆う酸化膜をさらに有していてもよい。酸化膜は化成処理により形成することができる。すなわち、該電極構造材料は化成処理されていてもよい。該方法で得られた電極構造材料は中圧、高圧及び超高圧化成箔を含むが、これらに制限されず、電気化学的腐食技術では実現が困難な高い比容量特性を有し、電解コンデンサの小型化に有利である。また、該電極構造材料は、弁金属（たとえば、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム、又はハフニウム等）電解コンデンサのいずれにも好適である。本発明の電極構造材料は、表層に金属繊維構造を有するため、粉末積層技術により形成された粉末構造に比べて靭性に優れ、電極材料の曲げ強度も高い。繊維層中の上下層の金属繊維が夾角を持って交差して積層されているので、金属繊維間の電解液の還流を効果的に回避することができ、このため、電極材料は低損失であり、ＥＳＲの低い電解コンデンサの製造に用いることができる。
本発明のさらに別の態様において、本発明は、電極構造材料を提案する。図３及び図４を参照すると、該電極構造材料は、基材１００と、規則的に配列された複数の金属繊維を含む繊維層２００とを含み、金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍを満たす。該電極構造材料は、比容量が高く、曲げ特性が良いなどの利点があり、電解コンデンサの陽極箔の製造に適している。
本発明の実施例によれば、該電極構造材料は、前記の方法を用いて得ることができる。該電極構造材料の具体的な構造については、先に詳細に説明したので、ここでは再度言及しない。一般的には、該電極構造材料は、製造コストが安く、環境にやさしいなどの利点の少なくとも１つを有する。具体的には、基材１００及び繊維層２００はいずれも金属で形成されている。基材及び金属繊維を形成する材料は、それぞれ独立して弁金属であり、具体的にはアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム又はハフニウムを含むことができる。該電極構造材料は、電解コンデンサの陽極箔を製造するのに適しているという利点があり、製造された陽極箔は比容量が高く、曲げ強度が高く、電解液の還流を緩和することができ、電解コンデンサのインピーダンス低減に有利である。
該電極構造材料は、金属繊維の表面の少なくとも一部を覆う酸化膜をさらに有していてもよい。酸化皮膜は化成処理により形成されてもよく、電解コンデンサの電極などの用途に用いることができる。該電極構造材料は、中圧、高圧及び超高圧化成箔を含むが、これらに限定されず、電気化学的腐食技術では実現が困難な高い比容量特性を有し、電解コンデンサの小型化に有利である。また、該電極構造材料は、アルミニウム、タンタルやニオブなどの電解コンデンサのいずれにも好適である。本発明の電極構造材料は、表層に金属繊維構造を有するため、粉末積層技術により形成された粉末構造に比べて靭性に優れ、電極材料の曲げ強度も高い。繊維層中の上下層の金属繊維が夾角を持って交差して積層されているので、金属繊維間の電解液の還流を効果的に回避することができ、このため、電極材料は低損失であり、ＥＳＲの低い電解コンデンサの製造に用いることができる。
本発明のさらに別の態様において、本発明は電解コンデンサを提案する。本発明の実施例によれば、本発明の電解コンデンサは、陽極と陰極とを含み、陽極は、前述の電極構造材料を含む。陰極は、電解質及び導電性電極を含むことができる。該電解コンデンサは、前述した電極構造材料が有するすべての特徴及び利点を有しており、ここでは再度言及しない。一般的には、該電解コンデンサは、比容量が高く、電気化学インピーダンスが小さく、陽極の機械的特性が良いなどの利点の少なくとも１つを有する。
以下に説明した実施例は、特に断らない限り、全ての温度が摂氏度である。使用される試薬は、すべて、市場から購入されてもよく、又は本発明に記載された方法により製造されてもよい。
実施例１
主な部品として密閉操作ボックス、レーザ、溶融炉、ノズル、流体推進ポンプや２軸移動収集器などを含む溶融金属マイクロナノ繊維直描装置を製造し、装置の構造図を図２に示す。
まず、アルミニウム粉末１００ｇをセラミック溶融炉に投入し、アルゴンガスを密閉ボックスの保護雰囲気とし、レーザパワーを１０７Ｗ／ｃｍ３に設定し、アルミニウム粉末を完全に溶融した状態になるまで加熱し、次に、厚さ３０μｍのアルミニウム基材を移動収集器の表面に配置し、ノズルの内径を１μｍとし、流体推進ポンプを用いて融液の補給速度を制御し、融液がアルミニウム基材の表面に到達すると、基材との境界に「半月板」接触面を速やかに形成し、プログラムで制御されるｘ−ｙ２軸移動収集器は基材を牽引して移動させ、成形された溶融金属繊維を方向性を持って収集した。融液補給速度は５ｍＬ／ｈ、ノズル先端の基板からの受け距離は１ｍｍであり、２軸移動収集器の軌跡は等間隔の弓字形の折り返し経路（図２に示す）とし、プログラムは基板上の金属繊維間隔を４．０μｍ、スライドテーブル移動速度を１００ｍｍ／ｓとした。２軸移動収集器のｘ方向及びｙ方向に弓字形に折り返された金属繊維を形成し、金属繊維が積層されて形成した繊維層の厚さが５０μｍになるまで上記ステップを複数回繰り返した。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。実施例１で製造した電極構造材料のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を図７に示す。形成されたアルミニウム繊維は、直径が約１μｍであり、プログラムで設定された４．０μｍ間隔で同一方向に基板上に平行に配列されている。アルミニウム繊維は均一で連続的な分布を示し、明らかな破断はなかった。
主な部品として密閉操作ボックス、レーザ、溶融炉、ノズル、流体推進ポンプや２軸移動収集器などを含む溶融金属マイクロナノ繊維直描装置を製造し、装置の構造図を図２に示す。
まず、アルミニウム粉末１００ｇをセラミック溶融炉に投入し、アルゴンガスを密閉ボックスの保護雰囲気とし、レーザパワーを１０７Ｗ／ｃｍ３に設定し、アルミニウム粉末を完全に溶融した状態になるまで加熱し、次に、厚さ３０μｍのアルミニウム基材を移動収集器の表面に配置し、ノズルの内径を１μｍとし、流体推進ポンプを用いて融液の補給速度を制御し、融液がアルミニウム基材の表面に到達すると、基材との境界に「半月板」接触面を速やかに形成し、プログラムで制御されるｘ−ｙ２軸移動収集器は基材を牽引して移動させ、成形された溶融金属繊維を方向性を持って収集した。融液補給速度は５ｍＬ／ｈ、ノズル先端の基板からの受け距離は１ｍｍであり、２軸移動収集器の軌跡は等間隔の弓字形の折り返し経路（図２に示す）とし、プログラムは基板上の金属繊維間隔を４．０μｍ、スライドテーブル移動速度を１００ｍｍ／ｓとした。２軸移動収集器のｘ方向及びｙ方向に弓字形に折り返された金属繊維を形成し、金属繊維が積層されて形成した繊維層の厚さが５０μｍになるまで上記ステップを複数回繰り返した。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。実施例１で製造した電極構造材料のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を図７に示す。形成されたアルミニウム繊維は、直径が約１μｍであり、プログラムで設定された４．０μｍ間隔で同一方向に基板上に平行に配列されている。アルミニウム繊維は均一で連続的な分布を示し、明らかな破断はなかった。
実施例２
弓字形折り返し経路において、プログラムでは、基材上の金属繊維間隔を０．８μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとした以外、残りの操作は実施例１と同様であった。得たアルミニウム繊維の直径は約１．８μｍであった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
弓字形折り返し経路において、プログラムでは、基材上の金属繊維間隔を０．８μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとした以外、残りの操作は実施例１と同様であった。得たアルミニウム繊維の直径は約１．８μｍであった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
実施例３
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を０．８μｍとし、スライドテーブル移動速度を７０ｍｍ／ｓに低下させ、得たアルミニウム繊維の直径は約２．０μｍにであった以外、残りの操作は実施例１と同様であった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を０．８μｍとし、スライドテーブル移動速度を７０ｍｍ／ｓに低下させ、得たアルミニウム繊維の直径は約２．０μｍにであった以外、残りの操作は実施例１と同様であった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
実施例４
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を１．０μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとし、得たアルミニウム繊維の直径は約１．８μｍであった以外、残りの操作は実施例１と同様であった。金属繊維の積層厚さは５０μｍに制御された。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を１．０μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとし、得たアルミニウム繊維の直径は約１．８μｍであった以外、残りの操作は実施例１と同様であった。金属繊維の積層厚さは５０μｍに制御された。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
実施例５
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を１．０μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとした以外、残りの操作は実施例１と同様であった。金属繊維の積層厚さは５０μｍに制御された。得たアルミニウム繊維の直径は約２．０μｍであった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
弓字形折り返し経路において、プログラムでは基材上の金属繊維間隔を１．０μｍ、スライドテーブル移動速度を８０ｍｍ／ｓとした以外、残りの操作は実施例１と同様であった。金属繊維の積層厚さは５０μｍに制御された。得たアルミニウム繊維の直径は約２．０μｍであった。アルミニウム基材の他方の面にも同様のステップを用い、最終的に得た電極材料の厚さは１３０μｍであった。
比較例１
塩酸と硫酸を細孔形成液として使用し、温度を６８℃に制御し、純度９９．９９％の１３０μｍ厚のアルミニウム箔に直流６級の腐食を加え、平均電流密度を０．４２Ａ／ｃｍ２、時間を２５秒とし、サンドイッチ層の厚さが７μｍ程度になるようにし、その後、７２℃の硝酸溶液中で細孔径を拡大し、電流密度と時間をそれぞれ０．１５Ａ／ｃｍ２と４８０秒とした。
塩酸と硫酸を細孔形成液として使用し、温度を６８℃に制御し、純度９９．９９％の１３０μｍ厚のアルミニウム箔に直流６級の腐食を加え、平均電流密度を０．４２Ａ／ｃｍ２、時間を２５秒とし、サンドイッチ層の厚さが７μｍ程度になるようにし、その後、７２℃の硝酸溶液中で細孔径を拡大し、電流密度と時間をそれぞれ０．１５Ａ／ｃｍ２と４８０秒とした。
性能テスト
実施例１〜５及び比較例１で得られた試料をホウ酸水溶液中で５２０Ｖの電圧印加による陽極化成を行い、化成箔の比容量、曲げ強度及び残留コアの厚さをテストし、テスト結果を表１に示す。
実施例１〜５及び比較例１で得られた試料をホウ酸水溶液中で５２０Ｖの電圧印加による陽極化成を行い、化成箔の比容量、曲げ強度及び残留コアの厚さをテストし、テスト結果を表１に示す。
表１から分かるように、アルミニウム基材上の金属繊維間隔と金属繊維直径を制御することにより、化成箔の５２０Ｖ化成電圧容量を効果的に調整できる。金属繊維間隔はプログラムで設定された２軸スライドテーブルによって正確に制御され、金属繊維間隔が小さいほど、化成箔は高い比表面積を有し、その５２０Ｖ化成比容量が高い。金属繊維直径は主にノズル内径によって決定され、スライドテーブルの牽引力によって適切に修飾される。繊維直径を約１．８μｍに制御した場合、５２０Ｖ化成箔はより理想的な比容量を有する。実施例と比較例から分かるように、溶融アルミニウム金属成形技術に基づいて、高比容積と高曲げを有する化成箔を得ることができる。
本明細書の説明において、用語「１つの実施例」、「別の実施例」、「実施例」、「例」などを参照した説明は、該実施例又は例と組み合わせて説明された特定の特徴、構造、材料、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施例又は例に含まれることを意味する。本明細書において、上記の用語の概略的な表現は、必ずしも同じ実施例又は例を対象とするものではない。さらに、説明された特定の特徴、構造、材料、又は特性は、いずれか１つ又は複数の実施例又は例において適切な方法で組み合わされてもよい。さらに、当業者は、互いに矛盾する限り、本明細書に記載された異なる実施例又は例、及び異なる実施例又は例の特徴を組み合わせてもよい。
以上、本発明の実施形態及び実施例を示して説明したが、これらの実施形態及び実施例は例示的なものであり、本発明を限定するものとして理解することはできず、当業者であれば、本発明の範囲内で上記実施形態について変更、修正、置換、及び変形を行えることを理解できる。
１００ 基材
２００ 繊維層
２１０’ 第１の所定のパターン
２２０’ 第２の所定のパターン
２００ 繊維層
２１０’ 第１の所定のパターン
２２０’ 第２の所定のパターン
Claims (10)
- 基材を提供して、前記基材を移動可能な操作テーブルに置くステップと、
前記基材の上方に位置するノズルを底部に備える溶融炉内の金属原料をレーザにより溶融して金属融液を形成し、金属融液を前記基材に連続的に堆積させるステップと、
前記金属融液を前記基材に接触させた後、前記操作テーブルを所定の軌跡に従って移動させて、前記基材に金属繊維からなる繊維層を形成するステップと、を含み、
前記ノズルの内径及び前記操作テーブルの移動速度を調整することにより、前記金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍの条件を満たすようにすることができる、ことを特徴とする電極構造材料の製造方法。 - 前記溶融炉はセラミック溶融炉であり、前記レーザの光源は、前記金属原料を照射して溶融できるように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記ノズルの内径が０．５〜１０００μｍであり、
前記操作テーブルが前記ノズルに対して移動する速度は５０〜１５０ｍｍ／ｓである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記溶融炉には、前記金属融液の融液流速を１〜２０ｍＬ／ｈに制御可能な流体制御スラスタがさらに接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記所定の軌跡は、第１の所定のパターンと、第２の所定のパターンとを含み、
前記第１の所定のパターンは、第１の方向に延びる複数の平行線を含み、
前記第２の所定のパターンは、第２の方向に延びる複数の平行線を含み、
前記第１の所定のパターンにおける隣接する２本の平行線間の間隔は０．１〜１０００μｍであり、
前記第２の所定のパターンにおける隣接する２本の平行線間の間隔は０．１〜１０００μｍである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 前記第１の所定のパターン及び前記第２の所定のパターンに従って前記操作テーブルを移動させるステップを複数回繰り返すことにより、前記金属繊維からなる複数のサブ層が積層された前記繊維層を前記基材に形成するステップと、
対向する第１の面と第２の面とを有する前記基材の前記第１の面に前記繊維層を形成した後、前記基材の前記第２の面を前記溶融炉に対向させて配置し、前記繊維層を形成する操作を繰り返すことにより、前記第２の面に前記繊維層を形成するステップとのうちの少なくとも１つをさらに含む、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。 - 前記基材及び前記金属を形成する原料は、それぞれ独立してアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウム又はハフニウムを含む弁金属を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基材と、
規則的に配列された複数の金属繊維を含み、前記金属繊維の直径Ｄが０．１μｍ≦Ｄ≦２０μｍの条件を満たす繊維層と、を含む、ことを特徴とする電極構造材料。 - 前記電極構造材料は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を利用して得られたものである、ことを特徴とする請求項８に記載の電極構造材料。
- 請求項８又は９に記載の電極構造材料を含む陽極と、
電解質及び導電性電極を含む陰極と、を含む、ことを特徴とする電解コンデンサ。
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