JP2022053328A

JP2022053328A - 電解コンデンサ

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Publication number: JP2022053328A
Application number: JP2020160110A
Authority: JP
Inventors: 和康渡辺; Kazuyasu Watanabe
Original assignee: Rubycon Corp
Current assignee: Rubycon Corp
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-04-05

Abstract

【課題】温度が８５[℃]かつ電圧が７５０[Ｖ]の高温負荷試験においても良好な電気特性を維持することが可能な低ＥＳＲの電解コンデンサを提供する。【解決手段】電解コンデンサ１は、陽極箔２ａと、陰極箔２ｃと、陽極箔２ａと陰極箔２ｃとの間に配設されたセパレータ２ｄとを有するコンデンサ素子２と、コンデンサ素子２に導入された電解液２ｅとを備え、電解液２ｅはエチレングリコールとコロイダルシリカを含有しており、カルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩、ホウ酸系化合物のアミン塩のいずれか一種以上を含有しており、スルホランまたはスルホラン誘導体を含有している構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、高耐電圧の電解コンデンサに関する。

近年、高耐電圧の電解コンデンサの要求は益々高まってきている。

従来、電解液として、溶媒と、ヒドロキシ置換芳香族モノカルボン酸の四級化アミジニウム塩と、０．５～２０[重量％]の割合のシリカ微粒子とを含有した構成が提案されている（特許文献１：国際公開第２００１／０７３８０２号公報）。また、電解液として、溶媒と、有機酸の塩と、０．５～２０[重量％]の割合のシリカ微粒子とを含有した構成が提案されている（特許文献２：特開２００２－１７０７４５号公報）。また、電解液に、ホウ酸と多糖類との錯化合物、ホウ酸と多価アルコールとの錯化合物、界面活性剤、コロイダルシリカを添加することによって、耐電圧の向上をはかることができるとの記述がある（特許文献３：特開２００５－２９４５９５号公報）。そして、電解液に、酸性コロイダルシリカやアンモニア安定型コロイダルシリカを添加することによって、耐電圧の向上をはかることができるとの記述がある（特許文献４：特開２０１３－１８７５１５号公報）。

国際公開第２００１／０７３８０２号公報特開２００２－１７０７４５号公報特開２００５－２９４５９５号公報特開２０１３－１８７５１５号公報

しかし、特許文献１～２の構成は、実施例における耐電圧は２１５[Ｖ]以下である。また、特許文献１～４の構成は、電解コンデンサの使用条件によっては、ショート不良等の不具合が生じることが判明した。

近年、温度が８５[℃]かつ電圧が７５０[Ｖ]の高温負荷試験１０００[時間]後においても良好な電気特性が維持できる電解コンデンサが市場から求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、温度が８５[℃]かつ電圧が７５０[Ｖ]の高温負荷試験においても良好な電気特性を維持することが可能な低ＥＳＲの電解コンデンサを提供することを目的とする。

一実施形態として、以下に開示する解決策により、前記課題を解決する。

本発明の電解コンデンサは、酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に配設されたセパレータとを有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に導入された電解液とを備え、前記電解液はエチレングリコールとコロイダルシリカを含有しており、前記電解液はカルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩、ホウ酸系化合物のアミン塩のいずれか一種以上を含有しており、前記電解液はスルホランまたはスルホラン誘導体を含有している構成であることを特徴とする。

この構成によれば、電解液はエチレングリコールとコロイダルシリカとスルホランまたはスルホラン誘導体の組み合わせによって８００[Ｖ]の高電圧においても良好な化成性を有する構成になる。よって、高温負荷試験を行っても良好な電気特性を維持することが可能な電解コンデンサにできる。

前記電解液は、γ－ブチロラクトンを１０[質量％]以上の割合で含有していることが好ましい。この構成によれば、より低ＥＳＲの電解コンデンサにできる。

前記電解液は、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩またはホウ酸系化合物のアミン塩を２[質量％]超の割合で含有していることが好ましい。この構成によれば、高い火花電圧を備えた電解液にできる。前記電解液は、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩またはホウ酸系化合物のアミン塩の含有量が２０[質量％]未満であることが好ましい。この構成によれば、高温でエチレングリコールとホウ酸のエステル化により生じた水が電極箔と反応し酸化皮膜が劣化してしまうことが抑制され、より信頼性の高い電解コンデンサにできる。前記電解液は前記カルボン酸のアンモニウム塩を２[質量％]以上の割合で含有していることが好ましい。この構成によれば、より低ＥＳＲの電解コンデンサにできるとともに、溶媒との反応による水の発生等の影響を抑えられるので、より信頼性の高い電解コンデンサにできる。

本発明によれば、温度が８５[℃]かつ電圧が７５０[Ｖ]の高温負荷試験においても良好な電気特性を維持することが可能な低ＥＳＲの電解コンデンサが実現できる。

図１は本発明の実施形態に係る電解コンデンサの概略構造を側面側から示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明する。電解コンデンサ１は、一例として図１に示すように、電解液２ｅが導入されているコンデンサ素子２と、防爆弁が配された封口体３と、コンデンサ素子２を収納する有底形状のケース４とを備えており、陽極箔２ａと陰極箔２ｃはそれぞれ引き出しリード５によって引き出されて外部接続端子７に接続される。外部接続端子７は一例としてネジ端子である。コンデンサ素子２とケース４の間には、コンデンサ素子２を保持する固定材２ｆが配されている。ケース４はスリーブ６ａおよび絶縁板６ｂによって外部と絶縁されている。陽極箔２ａはアルミニウム等の弁金属から形成されており、表面はエッチング処理により粗面化された後、化成処理によって酸化皮膜が形成されている。陰極箔２ｃはアルミニウム等の弁金属から形成されており、表面はエッチング処理により粗面化された後、自然酸化または化成処理によって酸化皮膜が形成されている。陽極箔２ａと陰極箔との間には電解液２ｅを保持できるセパレータ２ｄが配設されている。コンデンサ素子２は、一例として、陽極箔２ａと陰極箔２ｃとの間にセパレータ２ｄを挟んで両電極箔を隔離した状態とし、陽極箔２ａと陰極箔２ｃとをセパレータ２ｄを介して巻回し円筒形状にする。そして、コンデンサ素子２に電解液２ｅを含浸させる。その後、封止前、若しくは封止後に再化成処理を行って、電解コンデンサ１にする。なお、上記の例に限定されず、一例として、固定材２ｆを有さない場合があり、また、絶縁板６ｂを有さない場合がある。

電解液２ｅはエチレングリコールとコロイダルシリカを含有しており、電解液２ｅはカルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩、ホウ酸系化合物のアミン塩のいずれか一種以上を含有しており、電解液２ｅはスルホランまたはスルホラン誘導体を含有しており、既知の火花電圧測定試験における８００[Ｖ]到達時間が１２０[秒]以内になることを確認した。電解液２ｅは、要求仕様に応じて、水、糖類、ニトロ化合物、その他既知の溶媒や添加剤を含んでいる場合がある。ホウ酸系化合物は、一例として、ホウ酸とマンニットやソルビットなど多糖類との錯化合物、ホウ酸とエチレングリコールやグリセリンなど多価アルコールとの錯化合物、その他既知の化合物である。本実施形態に適用されるカルボン酸は、一例として、脂肪族カルボン酸（アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、１，６－デカンジカルボン酸等）、芳香族カルボン酸（安息香酸等）、等が挙げられる。耐電圧、比抵抗、溶解性等のバランスの観点では、溶質は、ホウ酸系化合物の塩、炭素数６～１５の脂肪族多価カルボン酸の塩、芳香族カルボン酸の塩のいずれか一種以上であることが好ましい。本実施形態に適用されるアミンは、一例として、第一級アミン（モノメチルアミン、モノエチルアミン、モノエタノールアミン等）、第二級アミン（ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジエタノールアミン、エチルメチルアミン等）、第三級アミン、等が挙げられる。耐電圧と比抵抗のバランスの観点では、溶質は、アンモニウム塩、モノメチルアミン塩、ジメチルアミン塩のいずれか一種以上であることが好ましい。

電解液２ｅにおけるエチレングリコールの割合は、一例として１０[質量％]以上かつ６５[質量％]以下にする。電解液２ｅにおけるスルホランまたはスルホラン誘導体の割合は、一例として５[質量％]超かつ５０[質量％]未満にする。

電解液２ｅは、γ－ブチロラクトンをさらに含有していることが好ましい。これにより、比抵抗が十分に低くなり、高伝導化を図ることができる。電解液２ｅにおけるγ－ブチロラクトンの割合は、一例として１０[質量％]以上かつ５０[質量％]以下にする。耐久性を維持する観点からはγ－ブチロラクトンの割合は５０[質量％]以下が好ましい。電解液２ｅは、γ－ブチロラクトンを１０質量％以上の割合で含有しているとともに、スルホランまたはスルホラン誘導体をγ－ブチロラクトンよりも少ない割合で含有していることがより好ましい。

電解液２ｅにおける溶質の割合は、一例として２[質量％]以上かつ２０[質量％]以下にする。溶質の割合を２[質量％]以上にすることで十分な電気伝導性が得られる。耐電圧性を維持する観点からは溶質の割合は２０[質量％]以下が好ましい。電解液２ｅにおけるカルボン酸、カルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、またはこれらの組み合わせの割合を０．２[質量％]以上にすることで、耐腐食性など耐久性の向上に貢献できる。電解液２ｅにおけるカルボン酸、カルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、またはこれらの組み合わせの割合を５[質量％]以下にすることで、耐電圧性の向上に貢献できる。電解液２ｅにおけるカルボン酸、カルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、またはこれらの組み合わせの割合は１[質量％]以下がより好ましい。

電解液２ｅにおけるコロイダルシリカの割合は、一例として５[質量％]超かつ２０[質量％]以下にする。コロイダルシリカの割合を５[質量％]超にすることで耐電圧を高めることができる。合理的な製造の観点からはコロイダルシリカの割合は２０[質量％]以下が好ましく、コロイダルシリカの割合は１５[質量％]以下がより好ましい。

コロイダルシリカは、一例として、酸性コロイダルシリカやアンモニア安定型コロイダルシリカである。コロイダルシリカは、一例として、平均粒径が４[ｎｍ]以上かつ１００[ｎｍ]以下であり、好ましくは、平均粒径が１０[ｎｍ]以上かつ５０[ｎｍ]以下であり、平均粒径が異なるコロイダルシリカを複数種類混合する場合がある。コロイダルシリカは、一例として、特許文献４などに記載された既知の物質が適用できる。

続いて、本実施形態に係る電解液の実施例及び比較例と、実施例及び比較例の電解液を適用した電解コンデンサの性能評価結果について、以下に説明する。

[実施例１～２]
実施例１は、電解液としてエチレングリコールと、コロイダルシリカと、スルホランと、γ－ブチロラクトンと、ホウ酸とマンニットやソルビットなどの多糖類との錯化合物のアンモニウム塩、及びカルボン酸のアンモニウム塩を用いた。実施例２は電解液にγ－ブチロラクトンは含有しておらず、エチレングリコールの割合を増やした。それ以外は実施例１と同様である。

[実施例３～６]
実施例３は、電解液におけるコロイダルシリカの含有量を実施例１よりも少なくして、エチレングリコールの割合を増やした。それ以外は実施例１と同様である。実施例４は、電解液におけるコロイダルシリカの含有量を実施例１よりも増やして、エチレングリコールの割合を少なくした。それ以外は実施例１と同様である。実施例５は、電解液におけるγ－ブチロラクトンの含有量を実施例１よりも少なくして、エチレングリコールの割合を増やした。それ以外は実施例１と同様である。実施例６は、電解液におけるγ－ブチロラクトンの含有量を実施例１よりも増やして、エチレングリコールの割合を少なくした。それ以外は実施例１と同様である。

[比較例１～２]
比較例１は、電解液にスルホランは含有しておらず、エチレングリコールの割合を増やした。それ以外は実施例１と同様である。比較例２は、電解液にγ－ブチロラクトンおよびスルホランは含有しておらず、エチレングリコールの割合を増やした。それ以外は実施例１と同様である。

[評価試験]
作製した実施例と比較例の各電解液について常温での火花電圧測定を実施して８００Ｖ到達時間[秒]と比抵抗[Ω・ｍ]を評価した。そして、８００[Ｖ]以上の皮膜耐電圧を有する酸化皮膜が形成されたアルミニウム箔を陽極箔に適用したコンデンサ素子と、作製した実施例と比較例の各電解液を用いて、定格静電容量が２２０[μＦ]の電解コンデンサを各２０個試作して、同一の電流プロファイルにてエージング処理を施した後、温度が８５[℃]、電圧が７５０[Ｖ]と８００[Ｖ]の高温負荷試験を実施した。高温負荷試験の判断基準は、試験時間１０００[時間]にて周波数が１２０[Ｈｚ]の静電容量の変化の割合が平均値で５[％]未満かつショート不良など故障品がない場合をＯＫ（正常）と判断し、それ以外の場合をＮＧ（異常）と判断した。各電解液の組成、及び各電解コンデンサの性能評価結果を次の表１に示す。

表１の結果から、電解液としてエチレングリコールと、コロイダルシリカと、スルホランと、所定の溶質を用いることで、既知の火花電圧測定試験における８００[Ｖ]到達時間が１２０[秒]以内になることが判明した。また上記に加えて、電解液にγ－ブチロラクトンを含有させることで比抵抗をさらに小さくできることが判明した。尚且つ、実施例１～６は、７５０[Ｖ]の高温負荷試験において良好な結果が得られた。そして、実施例１～２、４～５は、８００[Ｖ]の高温負荷試験においても良好な結果が得られた。詳述すると、コロイダルシリカを５[質量％]超の割合で含有した電解液の実施例１、２、４～６は、８００[Ｖ]の高温負荷試験においても１０００[時間]までショートには至らなかった。また、コロイダルシリカを５[質量％]超の割合で含有し、かつ、γ－ブチロラクトンの割合が５０[質量％]未満である電解液の実施例1、２、４、５は、８００[Ｖ]の高温負荷試験においても１０００[時間]まで容量変化率が±５[％]以内に抑えられたことを確認した。

一方、比較例１～２はいずれも、既知の火花電圧測定試験における８００[Ｖ]到達時間が３００[秒]超過になった。また、高温負荷試験にて短時間で半数以上が故障した。これは、電解液としてエチレングリコールと、コロイダルシリカと、所定の溶質を用いたとしても、スルホランまたはスルホラン誘導体を含有していないことで電解液の良好な化成性が得られず、同一の電流プロファイルのエージング処理における再化成が不十分な状態となっていたため、負荷試験にて所望の特性が得られなかったものである。

本発明は、上述の実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更が可能である。

１電解コンデンサ
２コンデンサ素子
２ａ陽極箔
２ｅ電解液
３封口体
４ケース

Claims

酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に配設されたセパレータとを有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に導入された電解液とを備え、前記電解液はエチレングリコールとコロイダルシリカを含有しており、前記電解液はカルボン酸のアンモニウム塩、カルボン酸のアミン塩、ホウ酸系化合物のアンモニウム塩、ホウ酸系化合物のアミン塩のいずれか一種以上を含有しており、前記電解液はスルホランまたはスルホラン誘導体を含有している構成であること
を特徴とする電解コンデンサ。
前記電解液は、γ－ブチロラクトンを１０質量％以上の割合で含有していること
を特徴とする請求項１記載の電解コンデンサ。
前記電解液は前記カルボン酸のアンモニウム塩を２質量％以上の割合で含有していること
を特徴とする請求項１または２記載の電解コンデンサ。