JP2021190654A - キャパシタ用陽極の製造方法、及びキャパシタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来よりも等価直列抵抗が低減されたキャパシタの製造方法と、そのキャパシタに使用するキャパシタ用陽極の製造方法を提供する。
[2] 前記高導電性複合体水系分散液にアルカリ化合物を1種以上添加する、[1]に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[3] 前記高導電性複合体水系分散液にヒドロキシ基を2つ以上有する化合物を1種以上添加する、[1]又は[2]に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[4] 前記混合液に含まれる前記有機溶剤の含有量が、前記混合液の総質量に対して、50質量%以上である、[1]〜[3]の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[5] 前記有機溶剤が、ケトン系溶剤及びアルコール系溶剤のうち、少なくとも一方を含む、[1]〜[4]の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[6] 前記有機溶剤がケトン系溶剤を含み、前記ケトン系溶剤がメチルエチルケトンを含む、[5]に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[7] 前記有機溶剤がアルコール系溶剤を含み、前記アルコール系溶剤がメタノールを含む、[5]に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[8] 前記有機溶剤がメチルエチルケトン及びメタノールを含む、[1]〜[4]の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[9] 前記導電性複合体が、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)及びポリスチレンスルホン酸のうち、少なくとも一方を含む、[1]〜[8]の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
[10] [1]〜[9]の何れか一項に記載の製造方法によりキャパシタ用陽極を得て、前記キャパシタ用陽極と陰極とを備えたキャパシタを組み立てる工程を含む、キャパシタの製造方法。
本発明の第一態様は、分取工程、調製工程、及び積層工程を含む。
分取工程は、π共役系導電性高分子及びポリアニオンを含む導電性複合体を含有する導電性高分子水系分散液と、有機溶剤とを混合した混合液を得て、前記混合液中に高導電性複合体を析出させ、析出した高導電性複合体を分取する工程である。
調製工程は、水系分散媒と前記高導電性複合体を混合することにより高導電性複合体水系分散液を得る工程である。
積層工程は、弁金属の多孔質体からなる陽極の表面が酸化されてなる誘電体層に、前記高導電性複合体水系分散液を塗布し、乾燥させることにより前記誘電体層の表面に固体電解質層を形成する工程である。
以下、各工程を説明する。
[導電性高分子水系分散液]
本態様で材料として用いる導電性高分子水系分散液は、π共役系導電性高分子及びポリアニオンを含む導電性複合体と、水と、を含有する。この水系分散液は、液中の導電性複合体が分散状態にある範囲で、有機溶剤を含んでいても構わない。
ここで、ろ紙の保留粒子径は目の粗さの目安であり、JIS P 3801〔ろ紙(化学分析用)〕で規定された硫酸バリウムなどを自然ろ過したときの漏えい粒子径により求められる。
π共役系導電性高分子としては、主鎖がπ共役系で構成されている有機高分子であればよく、例えば、ポリピロール系導電性高分子、ポリチオフェン系導電性高分子、ポリアセチレン系導電性高分子、ポリフェニレン系導電性高分子、ポリフェニレンビニレン系導電性高分子、ポリアニリン系導電性高分子、ポリアセン系導電性高分子、ポリチオフェンビニレン系導電性高分子、及びこれらの共重合体等が挙げられる。空気中での安定性の点からは、ポリピロール系導電性高分子、ポリチオフェン類及びポリアニリン系導電性高分子が好ましく、透明性の面から、ポリチオフェン系導電性高分子がより好ましい。
ポリピロール系導電性高分子としては、ポリピロール、ポリ(N−メチルピロール)、ポリ(3−メチルピロール)、ポリ(3−エチルピロール)、ポリ(3−n−プロピルピロール)、ポリ(3−ブチルピロール)、ポリ(3−オクチルピロール)、ポリ(3−デシルピロール)、ポリ(3−ドデシルピロール)、ポリ(3,4−ジメチルピロール)、ポリ(3,4−ジブチルピロール)、ポリ(3−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシエチルピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシブチルピロール)、ポリ(3−ヒドロキシピロール)、ポリ(3−メトキシピロール)、ポリ(3−エトキシピロール)、ポリ(3−ブトキシピロール)、ポリ(3−ヘキシルオキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−ヘキシルオキシピロール)が挙げられる。
ポリアニリン系導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリ(2−メチルアニリン)、ポリ(3−イソブチルアニリン)、ポリ(2−アニリンスルホン酸)、ポリ(3−アニリンスルホン酸)が挙げられる。
これらのπ共役系導電性高分子のなかでも、導電性、透明性、耐熱性の点から、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)が特に好ましい。
導電性複合体に含まれるπ共役系導電性高分子は、1種類でもよいし、2種類以上でもよい。
ポリアニオンは、アニオン基を有するモノマー単位を、分子内に2つ以上有する重合体である。このポリアニオンのアニオン基は、π共役系導電性高分子に対するドーパントとして機能して、π共役系導電性高分子の導電性を向上させる。
ポリアニオンのアニオン基としては、スルホ基、またはカルボキシ基であることが好ましい。
このようなポリアニオンの具体例としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、スルホ基を有するポリアクリル酸エステル、スルホ基を有するポリメタクリル酸エステル(例えば、ポリ(4−スルホブチルメタクリレート、ポリスルホエチルメタクリレート、ポリメタクリロイルオキシベンゼンスルホン酸)、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)、ポリイソプレンスルホン酸等のスルホ基を有する高分子や、ポリビニルカルボン酸、ポリスチレンカルボン酸、ポリアリルカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンカルボン酸)、ポリイソプレンカルボン酸等のカルボキシ基を有する高分子が挙げられる。ポリアニオンは、単一のモノマーが重合した単独重合体であってもよいし、2種以上のモノマーが重合した共重合体であってもよい。
これらポリアニオンのなかでも、導電性をより高くできることから、スルホ基を有する高分子が好ましく、ポリスチレンスルホン酸がより好ましい。
前記ポリアニオンは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
ポリアニオンの質量平均分子量は2万以上100万以下であることが好ましく、10万以上50万以下であることがより好ましい。質量平均分子量は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィを用いて測定し、ポリスチレン換算で求めた質量基準の平均分子量である。
π共役系導電性高分子及びポリアニオンを含む導電性複合体が水系分散媒に分散されてなる導電性高分子水系分散液は、例えば、ポリアニオンの水溶液中でπ共役系導電性高分子を形成するモノマーを化学酸化重合させて得ることができる。また、市販の導電性高分子水分散液を使用しても構わない。
上記範囲の下限値以上であると、有機溶剤の添加後の高導電性複合体の析出が容易になる。上記範囲の上限値以下であると、導電性高分子水系分散液における導電性複合体の分散性が高まるので、導電性高分子水系分散液の保存中に意図しない凝集を防ぎ、有機溶剤の添加後に析出する高導電性複合体の質を均一にすることができる。
本態様で用いる導電性高分子水系分散液が含有してもよい有機溶剤としては、水に対する混和性が高いものが好ましく、例えば、後述のアルコール系溶剤が挙げられる。
なお、本明細書において、「導電性高分子水分散液」の用語は、分散媒として水を含み、有機溶剤を実質的に含んでいないことを明示する用語である。
導電性高分子水系分散液と、有機溶剤とを混合し、混合液を得る方法としては、例えば、導電性高分子水系分散液に有機溶剤を添加する方法、有機溶剤に導電性高分子水系分散液を添加する方法等が挙げられる。好適な実施形態としては、導電性高分子水系分散液を攪拌しながら有機溶剤を徐々に添加する方法が挙げられる。この添加方法であると、導電性高分子水系分散液における有機溶剤濃度が局所的に急上昇することを防止して、高導電性複合体を穏やかに析出させることができる。有機溶剤濃度が急激に高まると、高導電性複合体の不均質な凝集体が生じることがある。
上記範囲の下限値以上であると、高導電性複合体の析出がより容易になり、導電性複合体の収率が向上する。
上記範囲の上限値以下であると、混合液に含まれる導電性高分子水系分散液を相対的に増やすことができるので、分取する高導電性複合体の量を増やすことができる。
本態様の混合液を構成する有機溶剤としては、水溶性有機溶剤が好ましい。ここで、水溶性有機溶剤とは、温度20℃において水100gに対して溶解量が1g以上の有機溶剤である。
水溶性有機溶剤としては、例えば、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、エステル系溶剤が挙げられる。
アルコール系溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、t−ブタノール、アリルアルコール等が挙げられる。
ケトン系溶剤としては、例えば、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、ジエチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセトン、ジアセトンアルコール等が挙げられる。
エステル系溶剤としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等が挙げられる。
有機溶剤は1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
ケトン系溶剤として、メチルエチルケトンを含むことが好ましい。
アルコール系溶剤として、メタノール又はイソプロパノールが好ましい。
上記の好適な有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより容易に析出させ、収率をより向上させることができる。
上記の好適な組み合わせの有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより容易に析出させ、収率をより向上させることができる。
上記の好適な範囲で有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより一層容易に析出させ、収率をより一層向上させることができる。
上記の好適な組み合わせの有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより容易に析出させ、収率をより向上させることができる。
上記の好適な範囲で有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより一層容易に析出させ、収率をより一層向上させることができる。
上記の好適な組み合わせの有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより容易に析出させ、収率をより向上させることができる。
上記の好適な範囲で有機溶剤が含まれると、前記混合液中に高導電性複合体をより一層容易に析出させ、収率をより一層向上させることができる。
前記酸としては、塩酸、硫酸等の無機酸、パラトルエンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸等の有機酸が挙げられる。
前記塩基としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等の無機塩基、トリオクチルアミン、オクチルアミン等の有機塩基が挙げられる。
上記の酸又は塩基は、本態様の混合液中に高導電性複合体が析出することを阻害する原因になり得る。
調製した混合液中に高導電性複合体を析出させる方法は特に制限されず、前記混合液を静置するだけでも、析出させることができる。また、完全に静置させる必要はなく、穏やかに攪拌しながら析出させてもよい。
前記混合液を加熱すると、混合液中に高導電性複合体を容易に析出させることができ、導電性複合体の収率を向上させることができる。
混合液中に析出した高導電性複合体を分取する(回収する)方法は特に制限されず、例えば、濾過、デカンテーション、遠心分離、減圧乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥等が挙げられる。
なかでも、混合液に含まれる高導電性複合体以外の成分と高導電性複合体とを分離することが容易であることから、濾過又はデカンテーションが好ましい。ここで、濾過とは、混合液を通過させたフィルターに、高導電性複合体を捕捉する操作である。また、デカンテーションとは、析出した高導電性複合体を沈殿させ、上澄み液を除去する操作である。
濾過で分取する場合にはフィルターの目詰まりに対処する必要があるので、デカンテーションの方がより容易に分取できる。また、フィルター上で高導電性複合体の固形物が濾過圧により圧縮されるので、濾過で分取した高導電性複合体は、デカンテーションで分取した場合よりも固い状態となり易い。デカンテーションで得た高導電性複合体は比較的柔らかいパウダー状態で得られるので、後で分散媒に容易に分散させることができる。従って、デカンテーションにより高導電性複合体を分取することがより好ましい。
分取した高導電性複合体に付着した有機溶剤等を乾燥して除去することにより、高導電性複合体の乾燥体を得ることができる。
本工程では、前段の工程で得た高導電性複合体と、水を含有する水系分散媒とを混合することにより、高導電性複合体水系分散液を得る。
高導電性複合体は水に対する分散性が高いので、水を含有する水系分散媒に容易に分散させることができる。
本態様で用いる高導電性複合体は、分取工程で得た後、乾燥して保存されていてもよいし、保存を経ずに直ちに使用されてもよい。
水溶性有機溶剤としては、例えば、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、エステル系溶剤が挙げられ、アルコール系溶剤が好ましい。具体的な水溶性有機溶剤の例示は、第一態様の説明と同様であるので省略する。
高導電性複合体の水に対する分散性は非常に高いので、高導電性複合体の凝集による粒子の大径化を防止する観点から、(2)の方法が好ましい。
上記粒度分布が小さくなるほど、本態様の高導電性複合体水系分散液を塗布して形成される固体電解質層を有するキャパシタのESRをより低減させることができる。
ここで粒度分布は、動的光散乱法によって、キュムラント平均粒径を測定した値である。
上記範囲であると、高導電性複合体をより安定に分散させることができる。
本態様の高導電性複合体水系分散液には、ヒドロキシ基を2つ以上有する化合物(以下、ポリオール化合物ということがある。)を1種類以上添加することが好ましい。ポリオール化合物を含有することにより、本態様の高導電性複合体水系分散液を用いて製造するキャパシタのESRをより低減させることができる。
セルロース、多糖、糖アルコール等の高分子アルコール;
1,4−ジヒドロキシベンゼン、1,3−ジヒドロキシベンゼン、2,3−ジヒドロキシ−1−ペンタデシルベンゼン、2,4−ジヒドロキシアセトフェノン、2,5−ジヒドロキシアセトフェノン、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,6−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフォン、2,2’,5,5’−テトラヒドロキシジフェニルスルフォン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフォン、ヒドロキシキノンカルボン酸及びその塩類、2,3−ジヒドロキシ安息香酸、2,4−ジヒドロキシ安息香酸、2,5−ジヒドロキシ安息香酸、2,6−ジヒドロキシ安息香酸、3,5−ジヒドロキシ安息香酸、1,4−ヒドロキノンスルホン酸及びその塩類、4,5−ヒドロキシベンゼン−1,3−ジスルホン酸及びその塩類、1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,6−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、2,3−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒドロキシナフタレン−2,6−ジカルボン酸、1,6−ジヒドロキシナフタレン−2,5−ジカルボン酸、1,5−ジヒドロキシナフトエ酸、1,4−ジヒドロキシ−2−ナフトエ酸フェニルエステル、4,5−ジヒドロキシナフタレン−2,7−ジスルホン酸及びその塩類、1,8−ジヒドロキシ−3,6−ナフタレンジスルホン酸及びその塩類、6,7−ジヒドロキシ−2−ナフタレンスルホン酸及びその塩類、1,2,3−トリヒドロキシベンゼン(ピロガロール)、1,2,4−トリヒドロキシベンゼン、5−メチル−1,2,3−トリヒドロキシベンゼン、5−エチル−1,2,3−トリヒドロキシベンゼン、5−プロピル−1,2,3−トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシ安息香酸、トリヒドロキシアセトフェノン、トリヒドロキシベンゾフェノン、トリヒドロキシベンゾアルデヒド、トリヒドロキシアントラキノン、2,4,6−トリヒドロキシベンゼン、テトラヒドロキシ−p−ベンゾキノン、テトラヒドロキシアントラキノン、ガリック酸メチル(没食子酸メチル)、ガリック酸エチル(没食子酸エチル)等の芳香族化合物、ヒドロキノンスルホン酸カリウム等が挙げられる。
上記好適な範囲であると、本態様の高導電性複合体水系分散液を用いて製造するキャパシタのESRをより低減させることができる。
本態様の高導電性複合体水系分散液には、1種以上のアルカリ化合物を添加することが好ましい。アルカリ化合物を含有することにより、本態様の高導電性複合体水系分散液を用いて製造するキャパシタのESRをより低減させることができる。アルカリ化合物は、前記ポリオール化合物に該当しないものが好ましい。
アミン化合物は、炭素数2以上12以下の直鎖、もしくは分岐鎖のアルキル基、炭素数6以上12以下のアリール基、炭素数7以上12以下のアラルキル基、炭素数2以上12以下のアルキレン基、炭素数6以上12以下のアリーレン基、炭素数7以上12以下のアラルキレン基、及び炭素数2以上12以下のオキシアルキレン基から選択される置換基を有していてもよい。
具体的な1級アミンとしては、例えば、アニリン、トルイジン、ベンジルアミン、エタノールアミン等が挙げられる。
具体的な2級アミンとしては、例えば、ジエタノールアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジフェニルアミン、ジベンジルアミン、ジナフチルアミン等が挙げられる。
具体的な3級アミンとしては、例えば、トリエタノールアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン、トリフェニルアミン、トリベンジルアミン、トリナフチルアミン等が挙げられる。
具体的な4級アンモニウム塩としては、例えば、テトラメチルアンモニウム塩、テトラエチルアンモニウム塩、テトラプロピルアンモニウム塩、テトラフェニルアンモニウム塩、テトラベンジルアンモニウム塩、テトラナフチルアンモニウム塩等が挙げられる。アンモニウムの対となる陰イオンとしてはヒドロキシドイオンが挙げられる。
上記好適な範囲であると、本態様の高導電性複合体水系分散液を用いて製造するキャパシタのESRをより低減させることができる。
本態様の高導電性複合体水系分散液には、その他の添加剤が含まれてもよい。
添加剤としては、本発明の効果が得られる限り特に制限されず、例えば、界面活性剤、無機導電剤、消泡剤、カップリング剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤などが挙げられる。ただし、添加剤は、前記π共役系導電性高分子、ポリアニオン、有機溶剤、ポリオール化合物、アルカリ化合物以外のものである。
界面活性剤としては、ノニオン系、アニオン系、カチオン系の界面活性剤が挙げられるが、保存安定性の面からノニオン系が好ましい。また、ポリビニルピロリドンなどのポリマー系界面活性剤を添加してもよい。
無機導電剤としては、金属イオン類、導電性カーボン等が挙げられる。なお、金属イオンは、金属塩を水に溶解させることにより生成させることができる。
消泡剤としては、シリコーン樹脂、ポリジメチルシロキサン、シリコーンオイル等が挙げられる。
カップリング剤としては、ビニル基又はアミノ基を有するシランカップリング剤等が挙げられる。
紫外線吸収剤としては、ベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤、ベンゾフェノン系紫外線吸収剤、サリシレート系紫外線吸収剤、シアノアクリレート系紫外線吸収剤、オキサニリド系紫外線吸収剤、ヒンダードアミン系紫外線吸収剤、ベンゾエート系紫外線吸収剤等が挙げられる。
上述の高導電性複合体水系分散液が上記添加剤を含有する場合、その含有割合は、添加剤の種類に応じて適宜決められるが、例えば、高導電性複合体100質量部に対して、0.001質量部以上5質量部以下の範囲とすることができる。
本態様で材料として用いる陽極を構成する弁金属としては、例えば、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモンなどが挙げられる。これらのうち、アルミニウム、タンタル、ニオブが好適である。陽極の具体例としては、例えば、アルミニウム箔をエッチングして表面積を増加させた後、その表面を酸化処理したものや、タンタル粒子やニオブ粒子の焼結体表面を酸化処理してペレットにしたものなどが挙げられる。このように処理されたものは表面に凹凸が形成された多孔質体となる。
誘電体層は、弁金属からなる陽極の表面を酸化することにより形成することができる。例えば、アジピン酸アンモニウム水溶液、ホウ酸アンモニウム水溶液、リン酸アンモニウム水溶液などの化成処理用電解液中にて、陽極の表面を陽極酸化する方法が挙げられる。
本態様で使用する高導電性複合体水系分散液は、高導電性複合体の分散性に優れるので、陽極に対する塗工性が優れる。
固体電解質層の厚さは、一定でもよいし、一定でなくてもよく、例えば、1μm以上100μm以下の厚さとすることができる。
本発明の第二態様は、第一態様の製造方法によりキャパシタ用陽極を得て、前記キャパシタ用陽極と陰極とを備えたキャパシタを組み立てる工程を含む、キャパシタの製造方法である。
第一態様で固体電解質層を形成する前に、陽極の誘電体層側を陰極に向かい合わせて陰極と対向配置した電極素子を予め作製してもよい。この電極素子を高導電性複合体水系分散液に浸漬し、陽極の誘電体層と陰極の間に固体電解質層を形成することができる。固体電解質層は、陽極と陰極の間を充填していることが好ましい。
電解液用溶媒としては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、グリセリン等のアルコール系溶媒、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等のラクトン系溶媒、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルアセトアミド、N−メチルピロリジノン等のアミド系溶媒、アセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等のニトリル系溶媒、水等が挙げられる。
電解質としては、例えば、アジピン酸、グルタル酸、コハク酸、安息香酸、イソフタル酸、フタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、トルイル酸、エナント酸、マロン酸、蟻酸、1,6−デカンジカルボン酸、5,6−デカンジカルボン酸等のデカンジカルボン酸、1,7−オクタンジカルボン酸等のオクタンジカルボン酸、アゼライン酸、セバシン酸等の有機酸;あるいは、硼酸、硼酸と多価アルコールより得られる硼酸の多価アルコール錯化合物;リン酸、炭酸、ケイ酸等の無機酸などをアニオン成分とし、1級アミン(メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、エチレンジアミン等)、2級アミン(ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、メチルエチルアミン、ジフェニルアミン等)、3級アミン(トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリフェニルアミン、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)−ウンデセン−7等)、テトラアルキルアンモニウム(テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、メチルトリエチルアンモニウム、ジメチルジエチルアンモニウム等)などをカチオン成分とした電解質;等が挙げられる。
本発明によれば、混合液に含ませた導電性複合体100質量部に対して、90〜100質量部の高導電性複合体を析出物として回収することができる。分取工程において、有機溶剤を含む混合液中に高導電性複合体が析出する要因は、有機溶剤に高導電性複合体が溶解し難いことであると推測される。
驚くべきことに、高導電性複合体を含む固体電解質層を備えた陽極を用いると、従来の導電性複合体(原料の導電性高分子水系分散液に含まれる導電性複合体)を含む陽極を用いた場合よりも、等価直列抵抗(ESR)が低いキャパシタを形成することができる(後述の実施例、比較例参照)。
この効果が奏されるメカニズムの詳細は未解明であるが、高導電性複合体は、原料の分散液から析出して分取されるため、原料に含まれる過剰のポリアニオンなどと分離して得られる。このため、従来の導電性複合体と比べて、高導電性複合体に含まれる過剰のポリアニオンや不純物の量が少ないと考えられる。過剰のポリアニオンが少なくなると酸性度が弱まるため、キャパシタの陽極の酸化被膜の侵食が抑制され、結果としてESRが低減する(従来は酸化被膜の侵食によりESRが上昇していた)と考えられる。また、高導電性複合体は、化学的組成だけでなく、物理化学的な性状(例えば粒子径)も従来の導電性複合体と異なる可能性があり、この差異がESRに影響している可能性もある。
1000mlのイオン交換水に206gのスチレンスルホン酸ナトリウムを溶解し、80℃で撹拌しながら、予め10mlの水に溶解した1.14gの過硫酸アンモニウム酸化剤溶液を20分間滴下し、この溶液を12時間撹拌した。
得られたポリスチレンスルホン酸ナトリウム含有溶液に10質量%に希釈した硫酸を1000ml添加し、限外ろ過法によりポリスチレンスルホン酸含有溶液の約1000mlの溶媒を除去した。次いで、残液に2000mlのイオン交換水を加え、限外ろ過法により約2000mlの溶媒を除去して、ポリスチレンスルホン酸を水洗した。この水洗操作を3回繰り返した。
得られた溶液中の水を減圧除去して、無色の固形状のポリスチレンスルホン酸を得た。
14.2gの3,4−エチレンジオキシチオフェンと36.7gのポリスチレンスルホン酸を2000mlのイオン交換水に溶かした溶液とを20℃で混合させた。
これにより得られた混合溶液を20℃に保ち、掻き混ぜながら、200mlのイオン交換水に溶かした29.64gの過硫酸アンモニウムと8.0gの硫酸第二鉄の酸化触媒溶液とをゆっくり添加し、3時間撹拌して反応させた。
得られた反応液に2000mlのイオン交換水を加え、限外ろ過法により約2000mlの溶媒を除去した。この操作を3回繰り返した。
そして、得られた溶液に200mlの10質量%に希釈した硫酸と2000mlのイオン交換水とを加え、限外ろ過法により約2000mlの溶媒を除去した。残液に2000mlのイオン交換水を加え、限外ろ過法により約2000ml溶液を除去した。この操作を3回繰り返した。
さらに、得られた溶液に2000mlのイオン交換水を加え、限外ろ過法により約2000mlの溶媒を除去した。この操作を5回繰り返し、1.2%のポリスチレンスルホン酸ドープポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT−PSS)水分散液を得た。PEDOT−PSS固形分に対するPSSの含有量は75質量%である。
上記のPEDOT−PSS水分散液のpHは25℃でpH1.98であった。
エッチドアルミニウム箔(陽極箔)に陽極リード端子を接続した後、アジピン酸アンモニウム10質量%水溶液中で130Vの電圧を印加し、化成(酸化処理)して、アルミニウム箔の両面に誘電体層を形成して陽極箔を得た。
次に、陽極箔の両面に、陰極リード端子を溶接させた対向アルミニウム陰極箔を、セルロース製のセパレータを介して積層し、これを円筒状に巻き取ってキャパシタ用素子(電極素子)を得た。
製造例2のPEDOT−PSS水分散液400gに、メタノール60.0gと、メチルエチルケトン800gとを加えた混合液を、60℃で4時間攪拌した。次に、混合液を静置し、混合液内に析出したPEDOT−PSSからなる高導電性複合体をろ取し、これに水200gを加え、混合した。エバポレーターにより、含有する有機溶媒を除去した後、さらに水を加えて高圧ホモジナイザーで分散し、高導電性複合体を含む水分散液240gを得た。得られた高導電性複合体水系分散液の固形分濃度とpHをそれぞれ測定したところ、1.4質量%、pH2.24(25℃)であった。
続いて、アルミニウム製のケースに、固体電解質層を形成させたキャパシタ用素子を装填し、封口ゴムで封止して、キャパシタを得た。
実施例1で得た高導電性複合体水系分散液にジエチレングリコールを5質量%となるように添加した。これにより、高導電性複合体100質量部に対して357質量部のジエチレングリコールを含む高導電性複合体水系分散液を得た。これを用いた以外は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
実施例1で得た高導電性複合体水系分散液にイミダゾールを0.1質量%となるように添加した。これにより、高導電性複合体100質量部に対して7.14質量部のイミダゾールを含む高導電性複合体水系分散液(pH2.53(25℃))を得た。これを用いた以外は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
実施例1で得た高導電性複合体水系分散液に、イミダゾールを0.1質量%となるように、かつジエチレングリコールを5質量%となるように、それぞれ添加した。これにより、高導電性複合体100質量部に対して7.14質量部のイミダゾールと、357質量部のジエチレングリコールを含む高導電性複合体水系分散液を得た。これを用いた以外は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
実施例1で得た高導電性複合体水系分散液にイミダゾールを0.2質量%となるように添加した。これにより、高導電性複合体100質量部に対して14.3質量部のイミダゾールを含む高導電性複合体水系分散液(pH3.78(25℃))を得た。これを用いた以外は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
実施例1で得た高導電性複合体水系分散液に、イミダゾールを0.2質量%となるように、かつジエチレングリコールを5質量%となるように、それぞれ添加した。これにより、高導電性複合体100質量部に対して14.3質量部のイミダゾールと、357質量部のジエチレングリコールを含む高導電性複合体水系分散液を得た。これを用いた以外は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液にジエチレングリコールを5質量%となるように添加した水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液にイミダゾールを0.15質量%となるように添加した。これにより、PEDOT-PSS100質量部に対して12.5質量部のイミダゾールを含む水分散液(pH2.27(25℃))を得た。この水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液にイミダゾールを0.15質量%となるように、かつジエチレングリコールを5質量%となるように、それぞれ添加した。これにより、PEDOT-PSS100質量部に対して12.5質量部のイミダゾールと、417質量部のジエチレングリコールを含む水分散液を得た。この水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液にイミダゾールを0.25質量%となるように添加した。これにより、PEDOT-PSS100質量部に対して20.8質量部のイミダゾールを含む水分散液(pH3.99(25℃))を得た。この水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
高導電性複合体水系分散液の代わりに、製造例2で得たPEDOT-PSS水分散液にイミダゾールを0.25質量%となるように、かつジエチレングリコールを5質量%となるように、それぞれ添加した。これにより、PEDOT-PSS100質量部に対して20.8質量部のイミダゾールと、417質量部のジエチレングリコールを含む水分散液を得た。この水分散液を用いた他は、実施例1と同様にしてキャパシタを得た。
各キャパシタについて、LCRメータZM2376((株)エヌエフ回路設計ブロック製)を用いて、120Hzでの静電容量(Cap.)、及び100kHzでの等価直列抵抗(ESR)を測定した。その測定結果を表1に示す。
なお、比較例4,6のESRは比較的低いが、これはイミダゾールとジエチレングリコールの併用によるところが大きい。比較例4、6と同程度のイミダゾール及びジエチレングリコールを含み、高導電性複合体水系分散液を用いた実施例4,6のESRは、比較例4,6のESRよりも低い。
11 陽極
12 誘電体層
13 陰極
14 固体電解質層
Claims (10)
- π共役系導電性高分子及びポリアニオンを含む導電性複合体を含有する導電性高分子水系分散液と、有機溶剤とを混合した混合液を得て、前記混合液中に高導電性複合体を析出させ、析出した高導電性複合体を分取する分取工程と、
水系分散媒と前記高導電性複合体を混合することにより高導電性複合体水系分散液を得る調製工程と、
弁金属の多孔質体からなる陽極の表面が酸化されてなる誘電体層に、前記高導電性複合体水系分散液を塗布し、乾燥させることにより前記誘電体層の表面に固体電解質層を形成する積層工程と、
を含む、キャパシタ用陽極の製造方法。 - 前記高導電性複合体水系分散液にアルカリ化合物を1種以上添加する、請求項1に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記高導電性複合体水系分散液にヒドロキシ基を2つ以上有する化合物を1種以上添加する、請求項1又は2に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記混合液に含まれる前記有機溶剤の含有量が、前記混合液の総質量に対して、50質量%以上である、請求項1〜3の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記有機溶剤が、ケトン系溶剤及びアルコール系溶剤のうち、少なくとも一方を含む、請求項1〜4の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記有機溶剤がケトン系溶剤を含み、前記ケトン系溶剤がメチルエチルケトンを含む、請求項5に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記有機溶剤がアルコール系溶剤を含み、前記アルコール系溶剤がメタノールを含む、請求項5に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記有機溶剤がメチルエチルケトン及びメタノールを含む、請求項1〜4の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 前記導電性複合体が、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)及びポリスチレンスルホン酸のうち、少なくとも一方を含む、請求項1〜8の何れか一項に記載のキャパシタ用陽極の製造方法。
- 請求項1〜9の何れか一項に記載の製造方法によりキャパシタ用陽極を得て、前記キャパシタ用陽極と陰極とを備えたキャパシタを組み立てる工程を含む、キャパシタの製造方法。
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