JP2024078273A - 電解コンデンサおよび電解コンデンサ用液状成分 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐熱性に優れる電解コンデンサを提供する。【解決手段】電解コンデンサは、コンデンサ素子と、液状成分と、を備える。コンデンサ素子は、表面に誘電体層を有する陽極体と、誘電体層の表面の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を備える。固体電解質層は導電性高分子成分を含み、液状成分は第１高分子成分を含む。第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有する。第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含む。第１高分子成分を構成する単位全体に占める第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい。【選択図】図１

Description

本開示は、電解コンデンサおよび電解コンデンサ用液状成分に関する。
小型かつ大容量でＥＳＲ（等価直列抵抗）の低いコンデンサとして、表面に誘電体層を有する陽極体と、誘電体層の少なくとも一部を覆う導電性高分子成分と、電解液とを備える、電解コンデンサが有望視されている。
特許文献１では、「表面に誘電体層を有する陽極箔と、陰極箔と、前記陽極箔と前記陰極箔との間に介在したセパレータと、前記陽極箔の前記誘電体層と前記陰極箔とに接触した固体電解質層と、を有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子に含浸された電解液と、前記コンデンサ素子を前記電解液と共に封じた外装体と、を備え、前記電解液が、ポリアルキレングリコールとポリアルキレングリコールの誘導体との少なくとも一方である難揮発性溶媒を含む、電解コンデンサ」が、提案されている。
国際公開第２０１１／０９９２６１号パンフレット
電解コンデンサが長時間高温に曝されると、ポリアルキレングリコールは、主鎖のＣ－Ｏ結合が切断されて低分子量化し、コンデンサ素子および電解液が収容されたケースの開口に配置される封口体を透過する。それに伴い、ポリアルキレングリコールを含む電解液による導電性高分子成分の保護作用が低下し、導電性高分子成分の酸化劣化が進むことがある。
本開示の一側面は、コンデンサ素子と、液状成分と、を備え、前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を有する陽極体と、前記誘電体層の表面の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を備え、前記固体電解質層は、導電性高分子成分を含み、前記液状成分は、第１高分子成分を含み、前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサに関する。
本開示の別の側面は、導電性高分子成分を含む固体電解質層を備える電解コンデンサに用いられる液状成分であって、前記液状成分は、第１高分子成分を含み、前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサ用液状成分に関する。
本開示によれば、耐熱性に優れる電解コンデンサを提供することができる。
本開示の一実施形態に係る電解コンデンサの一例を模式的に示す断面図である。 巻回体の構成を模式的に示す斜視図である。
以下では、本開示の実施形態について例を挙げて説明するが、本開示は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。この明細書において、「数値Ａ～数値Ｂ」という記載は、数値Ａおよび数値Ｂを含み、「数値Ａ以上で数値Ｂ以下」と読み替えることが可能である。以下の説明において、特定の物性や条件等の数値に関して下限と上限とを例示した場合、下限が上限以上とならない限り、例示した下限のいずれかと例示した上限のいずれかとを任意に組み合わせることができる。複数の材料が例示される場合、その中から１種を選択して単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、本開示は、添付の特許請求の範囲に記載の複数の請求項から任意に選択される２つ以上の請求項に記載の事項の組み合わせを包含する。つまり、技術的な矛盾が生じない限り、添付の特許請求の範囲に記載の複数の請求項から任意に選択される２つ以上の請求項に記載の事項を組み合わせることができる。
本開示の実施形態に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、液状成分と、を備える。コンデンサ素子は、表面に誘電体層を有する陽極体と、誘電体層の表面の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を備える。固体電解質層は、導電性高分子成分を含む。液状成分は、コンデンサ素子（少なくとも固体電解質層）に含浸されており、固体電解質層および誘電体層と接している。
液状成分は、第１高分子成分を含む。液状成分により、導電性高分子成分が保護され、導電性高分子成分の酸化劣化が抑制される。導電性高分子成分の酸化劣化による導電性の低下が抑制され、当該導電性の低下によるＥＳＲの上昇が抑制される。また、当該液状成分により、誘電体層の欠陥部が修復され、誘電体層の欠陥による漏れ電流の増大が抑制される。
第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有する。この場合、高温下において、主鎖の切断およびそれによる低分子量化が抑制され、コンデンサ素子および液状成分を収容したケースの開口に配置される封口体を第１高分子成分は透過しにくい。よって、電解コンデンサが長時間高温に曝される場合に、第１高分子成分を含む液状成分による上記の効果が維持され、電解コンデンサの耐熱性が向上する。なお、主鎖の末端はヘテロ原子を含んでもよく、含まなくてもよい。
第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含む。第１高分子成分を構成する単位全体に占める第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい。第１高分子成分が第１単位を５０質量％以上含むことにより、導電性高分子成分の導電性の低下が大幅に抑制される。
なお、「（メタ）アクリル酸系単位」とは、アクリル酸系単位およびメタクリル酸系単位からなる群より選択される少なくとも１種である。（メタ）アクリル酸系単位は、（メタ）アクリル酸およびその誘導体からなる群より選択される少なくとも１種の単量体に由来する。ビニルアルコール系単位は、ビニルアルコールおよびその誘導体からなる群より選択される少なくとも１種の単量体に由来する。
第１高分子成分がカルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位を含む場合、液状成分のｐＨを適度に低く調整し易く、導電性高分子成分がドーパントを含む場合にドーパントの脱ドープが抑制され易く、当該脱ドープによる導電性高分子成分の導電性の低下が抑制され易い。
第１高分子成分がヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位を含む場合、液状成分のコンデンサ素子（固体電解質層）への浸透性が向上し易い。よって、導電性高分子成分が保護され易く、導電性高分子成分の酸化劣化による導電性の低下が抑制され易い。また、イオンの拡散が抑制され、耐電圧性が向上し易い。
第１高分子成分は、第１単位として、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位の両方を含み、これらの単位を合計で５０質量％超含んでもよい。第１高分子成分は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位を５０質量％超含む第１高分子成分と、ヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位を５０質量％超含む第１高分子成分と、を含んでもよい。第１高分子成分において、カルボキシ基に対するヒドロキシ基のモル比：（ＯＨ／ＣＯＯＨ）は、０．１以上、１０以下であってもよい。
第１高分子成分は、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルアルコール、（メタ）アクリル酸とビニルアルコールとの共重合体、およびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。なお、「ポリ（メタ）アクリル酸」とは、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、およびアクリル酸とメタクリル酸との共重合体からなる群より選択される少なくとも１種である。（メタ）アクリル酸とは、アクリル酸およびメタクリル酸からなる群より選択される少なくとも１種である。上記の共重合体は、ランダム共重合体であってもよく、ブロック共重合体であってもよい。
第１高分子成分の主鎖（炭素鎖）の炭素数は、４以上、１０００以下が好ましく、１０以上、５００以下がより好ましい。主鎖の炭素数が４以上である場合、第１高分子成分は封口体を透過しにくく、第１高分子成分を含む液状成分による効果が維持され易い。主鎖の炭素数が１０００以下である場合、第１高分子成分のコンデンサ素子への浸透性が確保され易い。
導電性高分子成分の導電性低下の抑制および第１高分子成分のコンデンサ素子への浸透性確保の観点から、第１高分子成分の重量平均分子量（Ｍｗ）は、２００以上、２００００以下が好ましく、３００以上、２０００以下がより好ましい。なお、重量平均分子量（Ｍｗ）は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で測定されるポリスチレン換算の値である。なお、ＧＰＣは、通常は、ポリスチレンゲルカラムと、移動相としての水／メタノール（体積比８／２）とを用いて測定される。
第１高分子成分の主鎖が有する炭素鎖において、炭素間の結合は全て単結合であり、二重結合および三重結合を含まないことが望ましい。第１高分子成分は主鎖の末端にヘテロ原子を有してもよい。ヘテロ原子としては、例えば、酸素原子、窒素原子、硫黄原子等が挙げられる。
第１高分子成分を構成する単位全体に占める第１単位の割合は、５０質量％よりも大きく、６０質量％以上であってもよく、８０質量％以上であってもよく、１００質量％であってもよい。
第１高分子成分を構成する単位は、第２単位を更に含んでもよい。第２単位としては、例えば、炭素数が２～３のアルキレン単位（エチレン単位、プロピレン単位）等が挙げられる。第１単位および第２単位を含む共重合体は、ランダム共重合体であってもよく、ブロック共重合体であってもよい。
第１高分子成分による上記の効果が得られ易いという観点から、液状成分中の第１高分子成分の含有量は、好ましくは１０質量％以上であり、より好ましくは２０質量％以上（もしくは３０質量％以上）である。この場合、液状成分がエチレングリコールのような比較的揮発し易い溶媒を含む場合でも、液状成分に第１高分子成分を上記範囲で含ませることにより、液状成分が封口体を透過する量を十分に低減できる。液状成分を適度な粘度に調整し易く、第１高分子成分を溶媒に溶解させ易いという観点から、液状成分中の第１高分子成分の含有量は、５０質量％以下であってもよく、４０質量％以下であってもよく、３０質量％以下であってもよい。
液状成分に含まれる第１高分子成分の分析には、例えば、熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析法（熱分解ＧＣ－ＭＳ）、核磁気共鳴分光法（Ｈ１－ＮＭＲによる測定）等を用いることができる。
液状成分は、第１高分子成分以外に他の高分子成分（第２高分子成分）を含んでもよい。第２高分子成分としては、例えば、ポリアルキレングリコール（例えばポリエチレングリコール）等が挙げられる。第１高分子成分および第２高分子成分の合計に占める第１高分子成分の割合は５０質量％以上（もしくは７０質量％以上）であってもよく、液状成分に含まれる高分子成分のほぼ全てが第１高分子成分であってもよい。高温下でポリアルキレングリコールが低分子量化して封口体を透過しても、第１高分子成分により、導電性高分子成分は保護され、誘電体層の欠陥部の修復性は維持される。
液状成分は、第１高分子成分を溶解（もしくは分散）させた状態で含んでもよい。液状成分は、溶媒を含み得る。溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。固体電解質層への液状成分の浸透性の観点から、液状成分は、アルコール系溶媒を含むことが好ましい。アルコール系溶媒は、一価アルコールおよび多価アルコール（以下、ポリオール系溶媒とも称する。）の少なくとも一方を含む。アルコール系溶媒は、ポリオール系溶媒を含むことが好ましい。
ポリオール系溶媒は、グリコール化合物、グリセリン化合物、およびこれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。この場合、第１高分子成分を含む液状成分の粘度を適度に低く調整し易く、液状成分のコンデンサ素子（固体電解質層）への高い浸透性が得られ易い。また、導電性高分子成分は、膨潤により配向性が向上し、導電性が向上し易い。誘電体層の高い修復性が得られ易い。
グリコール化合物は、例えば、炭素数が２～８（もしくは２～６）のアルキレングリコール、ポリアルキレングリコールが好ましい。炭素数が２～８のアルキレングリコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール（１，２－プロパンジオール）、トリメチレングリコール（１，３－プロパンジオール）、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等が挙げられる。また、ポリアルキレングリコールとしては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコールとプロピレングリコールの共重合体等が挙げられる。エチレングリコールの重量平均分子量は、例えば、液状成分の粘度の観点から１０００以下であり、揮発の抑制の観点から、３００以上、１０００以下であってもよい。ポリプロピレングリコールの重量平均分子量は、例えば、液状成分の粘度の観点から５０００以下であり、揮発の抑制の観点から、２００以上、５０００以下であってもよい。
中でも、グリコール化合物は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコールが好ましい。グリコール化合物は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
グリコール化合物の誘導体としては、例えば、ポリアルキレングリコールの主鎖の一方もしくは両方の末端が、エーテル化もしくはエステル化された化合物等が挙げられる。エーテル化された末端は、例えば－ＯＲ基であってもよい。エステル化された末端は、例えば－ＯＣ（＝Ｏ）Ｒ基であってもよい。なお、Ｒは、アルキル基等の有機基である。
グリセリン化合物としては、グリセリン、ポリグリセリン等が挙げられる。グリセリン化合物は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
高温下でアルコール系溶媒は封口体を透過して減少することがあるが、液状成分に含まれる第１高分子成分により、導電性高分子成分は保護され、誘電体層の欠陥部の修復性は維持される。エチレングリコールのような比較的揮発し易い溶媒を用いる場合でも、第１高分子成分を適量含ませることにより、封口体を透過する液状成分の量を十分に低減することができる。
液状成分に含まれる溶媒全体に占めるアルコール系溶媒の割合は、５０質量％以上であってもよく、８０質量％以上であってもよく、１００質量％であってもよい。液状成分は、アルコール系溶媒以外の他の溶媒を含んでもよい。アルコール系溶媒以外の他の溶媒としては、スルホン化合物、ラクトン化合物、カーボネート化合物等が挙げられる。
スルホン化合物としては、スルホラン、ジメチルスルホキシドおよびジエチルスルホキシド等が挙げられる。ラクトン化合物としては、γ－ブチロラクトン、γ－バレロラクトン等が挙げられる。カーボネート化合物としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。
液状成分は、酸成分を含んでもよい。導電性高分子成分がドーパントを含む場合、液状成分中の酸成分は、ドーパントの脱ドープ現象を抑制し、導電性高分子成分の導電性を安定化させる。また、導電性高分子成分からドーパントが脱ドープした場合でも、脱ドープ跡のサイトに酸成分が再ドープされるため、ＥＳＲが低く維持され易い。第１高分子成分がカルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位を含む場合、第１高分子成分が酸成分として含まれ得る。
液状成分中の酸成分は、液状成分の粘度を過度に大きくすることがなく、液状成分中で解離し易く、溶媒中を移動しやすいアニオンを生成することが望ましい。このような酸成分としては、例えば、炭素数１～３０の脂肪族スルホン酸、炭素数６～３０の芳香族スルホン酸が挙げられる。脂肪族スルホン酸の中では、１価飽和脂肪族スルホン酸（例えばヘキサンスルホン酸）が好ましい。芳香族スルホン酸の中では、スルホ基に加え、ヒドロキシ基またはカルボキシ基を有する芳香族スルホン酸が好ましく、具体的には、オキシ芳香族スルホン酸（例えばフェノール－２－スルホン酸）、スルホ芳香族カルボン酸（例えばｐ－スルホ安息香酸、３－スルホフタル酸、５－スルホサリチル酸）が好ましい。
他の酸成分としては、カルボン酸が挙げられる。カルボン酸は、カルボキシル基を２個以上有する芳香族カルボン酸（芳香族ジカルボン酸）を含むことが好ましい。芳香族カルボン酸としては、例えば、フタル酸（オルト体）、イソフタル酸（メタ体）、テレフタル酸（パラ体）、マレイン酸、安息香酸、サリチル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸が挙げられる。なかでも、フタル酸（オルト体）、マレイン酸等の芳香族ジカルボン酸がより好ましい。芳香族ジカルボン酸のカルボキシル基は、安定であり、副反応を進行させにくい。よって、長期間にわたって、導電性高分子成分を安定化させる効果を発現し、電解コンデンサの長寿命化に有利である。また、カルボン酸は、アジピン酸等の脂肪族カルボン酸でもよい。
酸成分は、熱安定性の点で、有機酸および無機酸の複合化合物を含んでよい。有機酸および無機酸の複合化合物としては、耐熱性の高い、ボロジサリチル酸、ボロジ蓚酸、ボロジグリコール酸等が挙げられる。酸成分は、ホウ酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸およびホスホン酸等の無機酸を含んでもよい。
脱ドープ現象を抑制する効果が高まる点で、酸成分の濃度は、５質量％以上、５０質量％以下であってよく、１５質量％以上、３５質量％以下であってよい。
液状成分は、酸成分とともに塩基成分を含んでもよい。塩基成分により、酸成分の少なくとも一部が中和される。よって、酸成分の濃度を高めつつ、酸成分による電極の腐食を抑制することができる。脱ドープを効果的に抑制する観点から、酸成分は、塩基成分より当量比で過剰であることが好ましい。例えば、塩基成分に対する酸成分の当量比は、１以上、３０以下であってよい。液状成分中に含まれる塩基成分の濃度は、０．１質量％以上、２０質量％以下であってよく、３質量％以上、１０質量％以下であってよい。
塩基成分は特に限定されない。塩基成分としては、例えば、アンモニア、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン、第４級アンモニウム化合物およびアミジニウム化合物等が挙げられる。各アミンとしては、脂肪族アミン、芳香族アミン、複素環式アミン等が挙げられる。アミンとしては、例えば、例えば、トリメチルアミン、ジエチルアミン、エチルジメチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン、ピロリジン、イミダゾール（１，２，３，４－テトラメチルイミダゾリニウム等）、４－ジメチルアミノピリジンが挙げられる。第４級アンモニウム化合物としては、例えば、アミジン化合物（イミダゾール化合物も含む）が挙げられる。
液状成分のｐＨは４以下が好ましく、３．８以下がより好ましく、３．６以下が更に好ましい。液状成分のｐＨを４以下とすることで、導電性高分子成分の劣化が更に抑制される。また、ｐＨは２以上が好ましい。
（コンデンサ素子）
コンデンサ素子は、表面に誘電体層を備える陽極体と、誘電体層の一部を覆う固体電解質層と、を含む。固体電解質層は、導電性高分子成分を含む。
（陽極体）
陽極体は、弁作用金属、弁作用金属を含む合金、および弁作用金属を含む化合物等を含むことができる。これらの材料は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。弁作用金属としては、例えば、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタンが好ましく使用される。表面が多孔質である陽極体は、例えば、エッチング等により弁作用金属を含む基材（箔状または板状の基材等）の表面を粗面化することで得られる。また、陽極体は、弁作用金属を含む粒子の成形体またはその焼結体でもよい。なお、焼結体は、多孔質構造を有する。
（誘電体層）
誘電体層は、陽極体の表面の弁作用金属を、化成処理等により陽極酸化することで形成される。誘電体層は、陽極体の少なくとも一部を覆うように形成されていればよい。誘電体層は、通常、陽極体の表面に形成される。誘電体層は、陽極体の多孔質の表面に形成されるため、陽極体の表面の孔や窪み（ピット）の内壁面に沿って形成される。
誘電体層は弁作用金属の酸化物を含む。例えば、弁作用金属としてタンタルを用いた場合の誘電体層はＴａ2Ｏ5を含み、弁作用金属としてアルミニウムを用いた場合の誘電体層はＡｌ2Ｏ3を含む。尚、誘電体層はこれに限らず、誘電体として機能するものであればよい。陽極体の表面が多孔質である場合、誘電体層は、陽極体の表面（孔の内壁面を含む）に沿って形成される。
（固体電解質層）
固体電解質層は、誘電体層の少なくとも一部を覆うように形成されていればよい。固体電解質層は、導電性高分子成分を含む。導電性高分子成分を誘電体層の表面の少なくとも一部に付着させて固体電解質層を形成できる。導電性高分子成分は、必要に応じて、さらに、添加剤を含んでもよい。導電性高分子成分は、更に、陰極体やセパレータの表面に付着させてもよい。
導電性高分子成分は、例えば、共役系高分子成分を含む。共役系高分子成分としては、電解コンデンサに使用される公知の共役系高分子成分、例えば、π共役系高分子成分が挙げられる。共役系高分子成分としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、およびポリチオフェンビニレンを基本骨格とする高分子成分が挙げられる。上記の高分子成分は、基本骨格を構成する少なくとも一種のモノマー単位を含んでいればよい。上記の高分子成分には、単独重合体、二種以上のモノマーの共重合体、およびこれらの誘導体（置換基を有する置換体等）も含まれる。例えば、ポリチオフェンには、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）等が含まれる。共役系高分子成分は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
共役系高分子成分の重量平均分子量（Ｍｗ）は、特に限定されないが、例えば、１，０００以上、１，０００，０００以下である。重量平均分子量（Ｍｗ）は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で測定されるポリスチレン換算の値である。なお、ＧＰＣは、通常は、ポリスチレンゲルカラムと、移動相としての水／メタノール（体積比８／２）とを用いて測定される。
共役系高分子成分にはドーパントがドープされていてもよい。導電性高分子成分は、ドーパントがドープされた共役系高分子成分を含んでもよい。
ドーパントとしては、比較的低分子のアニオン、高分子アニオン等が挙げられる。アニオンの例は、硫酸イオン、硝酸イオン、燐酸イオン、硼酸イオン、有機スルホン酸イオン、カルボン酸イオン等が挙げられる。これらのアニオンを生成する化合物がドーパントとして用いられる。スルホン酸イオンを生成するドーパントとしては、例えば、パラトルエンスルホン酸、およびナフタレンスルホン酸が挙げられる。
スルホン酸イオンを生成するドーパントには、高分子スルホン酸を用いてもよい。高分子スルホン酸の例は、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、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である。高分子アニオンは、単独モノマーの重合体であってもよく、２種以上のモノマーの共重合体であってもよく、置換基を有する置換体であってもよい。なかでも、ポリスチレンスルホン酸由来のポリアニオンが好ましい。ドーパントは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
固体電解質層（導電性高分子成分）は、例えば、共役系高分子成分の前駆体をドーパントの存在下、誘電体層上で化学重合および電解重合の少なくとも一方を行うことによって形成してもよい。あるいは、導電性高分子成分の分散液（もしくは溶液）を誘電体層に接触させることにより固体電解質層を形成してもよい。分散媒（溶媒）に分散（溶解）させる導電性高分子成分は、例えば、ドーパントの存在下、共役系高分子成分の前駆体を重合させることにより得ることができる。共役系高分子成分の前駆体としては、共役系高分子成分の原料モノマー、原料モノマーの複数の分子鎖が連なったオリゴマーおよびプレポリマー等が挙げられる。前駆体は１種を用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
ドーパントの量は、共役系高分子成分１００質量部に対して、例えば、１０～１０００質量部であり、２０～５００質量部または５０～２００質量部であってもよい。
（陰極体）
陰極体を用いてもよく、陽極体と同様に陰極体に金属箔を用いてもよい。金属の種類は特に限定されないが、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属または弁作用金属を含む合金を用いることが好ましい。必要に応じて、金属箔の表面を粗面化してもよい。金属箔の表面には、化成皮膜が設けられていてもよく、金属箔を構成する金属とは異なる金属（異種金属）や非金属の被膜が設けられていてもよい。異種金属や非金属としては、例えば、チタンのような金属やカーボンのような非金属等を挙げることができる。
（セパレータ）
金属箔を陰極体に用いる場合、金属箔と陽極体との間にはセパレータを配置してもよい。セパレータとしては、特に制限されず、例えば、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ビニロン、ポリアミド（例えば、脂肪族ポリアミド、アラミド等の芳香族ポリアミド）の繊維を含む不織布等を用いてもよい。
ここで、図１は、本開示の一実施形態に係る電解コンデンサを模式的に示す断面図である。図２は、巻回体の構成を模式的に示す斜視図である。
電解コンデンサ２００は、コンデンサ素子および液状成分（図示しない）を備える。コンデンサ素子は、巻回体１００および固体電解質層（図示しない）を備える。巻回体１００は、表面に誘電体層を有する陽極体１０と陰極体２０とを、セパレータ３０を介して巻回して構成されている。固体電解質層は、陽極体１０（誘電体層）の表面の少なくとも一部を覆うように形成されている。液状成分は、コンデンサ素子（少なくとも固体電解質層）に含浸されている。陽極体１０および陰極体２０には、それぞれ金属箔が用いられている。
巻回体１００の最外層に位置する陰極体２０の外側表面に巻止めテープ４０が配置され、陰極体２０の端部は巻止めテープ４０により固定されている。なお、陽極体１０を大判の箔から裁断して準備する場合、裁断面に誘電体層を設けるために、巻回体１００に対して更に化成処理を行ってもよい。
陽極体１０および陰極体２０には、それぞれリードタブ５０Ａおよび５０Ｂの一方の端部が接続されている。リードタブ５０Ａおよび５０Ｂの他方の端部には、それぞれリード線６０Ａおよび６０Ｂが接続されている。
コンデンサ素子および液状成分は有底ケース２１１に収納されている。有底ケース２１１の材料としては、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮等の金属あるいはこれらの合金を用いることができる。
有底ケース２１１の開口部に封口体２１２を配置し、有底ケース２１１の開口端を封口体２１２にかしめてカール加工し、カール部分に座板２１３を配置することにより、コンデンサ素子および液状成分が有底ケース２１１内に封止されている。
封口体２１２は、リード線６０Ａ、６０Ｂが貫通するように形成されている。封口体２１２の材料としては、絶縁性を有する弾性高分子材料が好ましい。耐熱性の観点から、中でも、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ハイパロンゴム等）、ブチルゴム、イソプレンゴム等が好ましい。
電解コンデンサは、巻回型であってもよく、チップ型または積層型のいずれであってもよい。チップ型または積層型の電解コンデンサは、固体電解質層を覆う陰極層（カーボン層および銀ペースト層）を備えてもよい。電解コンデンサは、少なくとも１つのコンデンサ素子を有していればよく、複数のコンデンサ素子を有していてもよい。例えば、電解コンデンサは、２つ以上のコンデンサ素子の積層体を備えていてもよく、２つ以上の巻回型のコンデンサ素子を備えていてもよい。コンデンサ素子の構成または数は、電解コンデンサのタイプまたは用途等に応じて、選択すればよい。
［実施例］
以下、実施例に基づいて、本開示をより詳細に説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。
《電解コンデンサＡ１～Ａ５およびＢ１～Ｂ３》
定格電圧３５Ｖ、定格静電容量１５０μＦの巻回型の電解コンデンサ（直径８ｍｍ×長さ１０ｍｍ）を作製した。以下に、電解コンデンサの具体的な製造方法について説明する。
（陽極体の準備）
厚さ１００μｍのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔の表面に化成処理により誘電体層を形成した。化成処理は、アジピン酸アンモニウム溶液にアルミニウム箔を浸漬し、これに６０Ｖの電圧を印加することにより行った。その後、アルミニウム箔を裁断して、陽極体を準備した。
（陰極体の準備）
厚さ５０μｍのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔を裁断して、陰極体を準備した。
（巻回体の作製）
陽極体および陰極体に陽極リードタブおよび陰極リードタブを接続し、陽極体と陰極体とをリードタブを巻き込みながらセパレータを介して巻回した。巻回体から突出する各リードタブの端部には、陽極リード線および陰極リード線をそれぞれ接続した。作製された巻回体に対して、再度化成処理を行い、陽極体の切断された端部に誘電体層を形成した。次に、巻回体の外側表面の端部を巻止めテープで固定して巻回体を作製した。
（導電性高分子成分の分散液の調製）
３，４－エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）と、ドーパントであるポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ、重量平均分子量１０万）とを、イオン交換水に溶かし、混合溶液を調製した。混合溶液を撹拌しながらイオン交換水に溶かした硫酸鉄（III）（酸化剤）を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析し、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約５質量％のＰＳＳがドープされたポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）を含む分散液（以下、高分子分散体）を得た。
（固体電解質層の形成）
減圧雰囲気（４０ｋＰａ）中で、高分子分散体に巻回体を５分間浸漬し、その後、高分子分散体から巻回体を引き上げた。次に、高分子分散体を含浸した巻回体を、１５０℃の乾燥炉内で２０分間乾燥させ、誘電体層の少なくとも一部を導電性高分子で被覆し、固体電解質層を形成した。このようにしてコンデンサ素子を形成した。
（液状成分の調製）
表１に示す液状成分を調製した。Ａ１～Ａ５では、第１高分子成分および溶媒を含む液状成分を調製した。Ｂ１～Ｂ３では、第１高分子成分を添加せずに、溶媒のみの液状成分を調製した。第１高分子成分および溶媒には、表１に示す化合物を用いた。表１中、ＰＡＡはポリアクリル酸、ＰＭＡはポリメタクリル酸、ＰＶＡはポリビニルアルコール、ＧＢＬはγ－ブチロラクトン、ＥＧはエチレングリコール、ＰＥＧはポリエチレングリコール（重量平均分子量２０００）である。液状成分中の各成分の含有量は、表１に示す値とした。
（電解コンデンサの組み立て）
減圧雰囲気（４０ｋＰａ）中で、液状成分にコンデンサ素子（固体電解質層を備える巻回体）を５分間浸漬し、コンデンサ素子に液状成分を含浸させた。液状成分を含浸したコンデンサ素子をケースに収容した。その後、弾性高分子であるブチルゴムを含む封口体を用いて、ケースの開口部を封止した。このようにして、図１に示す電解コンデンサを完成させた。その後、電解コンデンサに定格電圧を印加しながら、１３０℃で２時間エージング処理を行った。
得られた各電解コンデンサについて、以下の評価を行った。
［評価：高温負荷試験］
２０℃の環境下で、４端子測定用のＬＣＲメータを用いて、周波数１２０Ｈｚにおける初期の静電容量Ｃ０（μＦ）を測定した。また、電解コンデンサの質量Ｍ０を測定した。
次いで、電解コンデンサを、２６０℃環境下で３分間リフロー処理した。リフロー処理後、電解コンデンサを１４５℃雰囲気の恒温槽に収容し、定格電圧を印加した状態で２０００時間保持することにより、高温負荷試験を行った。
高温負荷試験の後、２０℃環境下で、上記と同様の方法により静電容量Ｃ１を測定し、更に、周波数１００ｋＨｚにおけるＥＳＲ（ｍΩ）を測定した。また、電解コンデンサの質量Ｍ１を測定した。
得られたＣ０およびＣ１を用いて、下記式（１）により容量変化率ΔＣ（％）を求めた。
容量変化率ΔＣ＝｛（Ｃ１－Ｃ０）／Ｃ０｝×１００ （１）
ケース内にコンデンサ素子とともに収容した液状成分の質量Ｍと、上記で得られたＭ０およびＭ１を用いて、下記式（２）により高温負荷試験後の液状成分の透過量（質量％）を求めた。Ｍ０からＭ１を差し引いた値は、封口体を透過した液状成分の質量とみなした。
液状成分の透過量＝｛（Ｍ０－Ｍ１）／Ｍ｝×１００ （２）
評価結果を表１に示す。表１中、Ａ１～Ａ５は実施例であり、Ｂ１～Ｂ３は比較例である。
Figure 2024078273000002
アルコール系溶媒を用いた電解コンデンサＢ１～Ｂ２では、溶媒にＧＢＬを用いた電解コンデンサＢ３と比べて、ＥＳＲがある程度小さいが、いずれの場合も液状成分に第１高分子成分を加えなかったため、高温負荷試験時の液状成分の透過量が多く、高温負荷試験後の性能が低下し、耐熱性が低かった。電解コンデンサＢ１で用いたアルコール系溶媒であるＥＧは揮発し易く、高温負荷試験時に液状成分が封口体を透過する量が増大した。電解コンデンサＢ２で用いたアルコール系溶媒であるＰＥＧはＥＧと比べて揮発しにくいが、高温負荷試験時にＰＥＧは、主鎖のＣ－Ｏ結合が切断されて低分子量化し、液状成分が封口体を透過する量が増大した。
ＰＥＧおよび第１高分子成分を含む液状成分を用いた電解コンデンサＡ２では、電解コンデンサＢ２と比べて、電解コンデンサ中の液状成分が封口体を透過して減少することが抑制され、ΔＣの減少率が小さく、ＥＳＲが小さく、優れた耐熱性が得られた。
ＥＧおよび第１高分子成分を含む液状成分を用いた電解コンデンサＡ１では、電解コンデンサＢ１と比べて、液状成分の透過量が小さく、優れた耐熱性が得られた。電解コンデンサＢ１では、ＥＧに第１高分子成分を加えなかったため、液状成分の透過量が増大した。比較的揮発し易いＥＧを含む場合でも、第１高成分を含ませることで、液状成分の透過量を低減できた。
第１高分子成分にＰＭＡを用いた電解コンデンサＡ４、および、第１高分子成分にＰＶＡを用いた電解コンデンサＡ５においても、第１高分子成分にＰＡＡを用いた電解コンデンサＡ１と同様に、液状成分の透過量が小さく、優れた耐熱性が得られた。グリセリンおよび第１高分子成分を含む液状成分を用いた電解コンデンサＡ３においても、液状成分の透過量が小さく、優れた耐熱性が得られた。
《電解コンデンサＡ６～Ａ７》
溶媒および第１高分子成分の含有量を表２に示す値とした以外、電解コンデンサＡ１と同様にして、電解コンデンサＡ６～Ａ７を作製し、評価した。電解コンデンサＡ６～Ａ７の評価結果を、電解コンデンサＢ１およびＡ１とともに表２に示す。表中、Ａ６～Ａ７は、実施例である。
Figure 2024078273000003
第１高分子成分の含有量が１０質量％以上である電解コンデンサにおいて、液状成分の透過量が減少し、良好な耐熱性が得られた。特に、第１高分子成分の含有量が２０質量％以上である電解コンデンサＡ１、Ａ７では、液状成分の透過量が更に低減され、ΔＣの減少率およびＥＳＲがより小さくなった。
《電解コンデンサＡ８～Ａ１２》
第１高分子成分として重量平均分子量が表３に示す値であるＰＡＡを用いた以外、電解コンデンサＡ１と同様にして、電解コンデンサＡ８～Ａ１２を作製し、評価した。評価結果を、電解コンデンサＡ１とともに表３に示す。表中、Ａ８～Ａ１２は、実施例である。
Figure 2024078273000004
いずれの電解コンデンサにおいても、ＰＡＡの添加により、液状成分の透過量が減少し、良好な耐熱性が得られた。重量平均分子量が２００以上のＰＡＡを含む液状成分を用いた電解コンデンサでは、液状成分の透過量が更に低減され、ΔＣの減少率およびＥＳＲがより小さくなった。また、重量平均分子量が２００００以下のＰＡＡを含む液状成分では、液状成分（ＰＡＡ）をコンデンサ素子に浸透させ易かった。
《付記》
以上の実施形態の記載により、下記の技術が開示される。
（技術１）
コンデンサ素子と、液状成分と、を備え、
前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を有する陽極体と、前記誘電体層の表面の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を備え、
前記固体電解質層は、導電性高分子成分を含み、
前記液状成分は、第１高分子成分を含み、
前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、
前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、
前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサ。
（技術２）
前記主鎖の炭素数は、４以上、１０００以下である、技術１に記載の電解コンデンサ。
（技術３）
前記第１高分子成分の重量平均分子量は、２００以上、２００００以下である、技術１または２に記載の電解コンデンサ。
（技術４）
前記第１高分子成分は、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルアルコール、および（メタ）アクリル酸とビニルアルコールとの共重合体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、技術１～３のいずれか１つに記載の電解コンデンサ。
（技術５）
前記液状成分中の前記第１高分子成分の含有量は、１０質量％以上である、技術１～４のいずれか１つに記載の電解コンデンサ。
（技術６）
前記液状成分は、アルコール系溶媒を含む、技術１～５のいずれか１つに記載の電解コンデンサ。
（技術７）
前記アルコール系溶媒は、グリコール化合物、グリセリン化合物、およびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、技術６に記載の電解コンデンサ。
（技術８）
前記アルコール系溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、およびポリグリセリンからなる群より選択される少なくとも１種を含む、技術７に記載の電解コンデンサ。
（技術９）
導電性高分子成分を含む固体電解質層を備える電解コンデンサに用いられる液状成分であって、
前記液状成分は、第１高分子成分を含み、
前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、
前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、
前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサ用液状成分。
（技術１０）
前記主鎖の炭素数は、４以上、１０００以下である、技術９に記載の電解コンデンサ用液状成分。
（技術１１）
前記第１高分子成分の重量平均分子量は、２００以上、２００００以下である、技術９または１０に記載の電解コンデンサ用液状成分。
（技術１２）
前記第１高分子成分は、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルアルコール、および（メタ）アクリル酸とビニルアルコールとの共重合体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、技術９～１１のいずれか１つに記載の電解コンデンサ用液状成分。
本開示に係る電解コンデンサ用液状成分は、優れた耐熱性が求められる電解コンデンサに好適に用いられる。
１０：陽極体、２０：陰極体、３０：セパレータ、４０：巻止めテープ、５０Ａ，５０Ｂ：リードタブ、６０Ａ，６０Ｂ：リード線、１００：巻回体、２００：電解コンデンサ、２１１：有底ケース、２１２：封口体、２１３：座板

Claims (12)

  1. コンデンサ素子と、液状成分と、を備え、
    前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を有する陽極体と、前記誘電体層の表面の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を備え、
    前記固体電解質層は、導電性高分子成分を含み、
    前記液状成分は、第１高分子成分を含み、
    前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、
    前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、
    前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサ。
  2. 前記主鎖の炭素数は、４以上、１０００以下である、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  3. 前記第１高分子成分の重量平均分子量は、２００以上、２００００以下である、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  4. 前記第１高分子成分は、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルアルコール、および（メタ）アクリル酸とビニルアルコールとの共重合体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  5. 前記液状成分中の前記第１高分子成分の含有量は、１０質量％以上である、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  6. 前記液状成分は、アルコール系溶媒を含む、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  7. 前記アルコール系溶媒は、グリコール化合物、グリセリン化合物、およびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項６に記載の電解コンデンサ。
  8. 前記アルコール系溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、およびポリグリセリンからなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項７に記載の電解コンデンサ。
  9. 導電性高分子成分を含む固体電解質層を備える電解コンデンサに用いられる液状成分であって、
    前記液状成分は、第１高分子成分を含み、
    前記第１高分子成分は、主鎖が末端以外にヘテロ原子を含まない炭素鎖を有し、
    前記第１高分子成分を構成する単位は、カルボキシ基を有する（メタ）アクリル酸系単位およびヒドロキシ基を有するビニルアルコール系単位からなる群より選択される少なくとも１種の第１単位を含み、
    前記第１高分子成分を構成する単位全体に占める前記第１単位の割合は、５０質量％よりも大きい、電解コンデンサ用液状成分。
  10. 前記主鎖の炭素数は、４以上、２０００以下である、請求項９に記載の電解コンデンサ用液状成分。
  11. 前記第１高分子成分の重量平均分子量は、２００以上、２００００以下である、請求項９に記載の電解コンデンサ用液状成分。
  12. 前記第１高分子成分は、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルアルコール、および（メタ）アクリル酸とビニルアルコールとの共重合体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項９に記載の電解コンデンサ用液状成分。
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