JP4307820B2 - アルミニウム電解コンデンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム電解コンデンサは、小型でありながら大きな静電容量を有する点に特徴があり、低周波のフィルターやバイパス用に多用されている。アルミニウム電解コンデンサは、一般に陽極箔と陰極箔とを両端の短絡を防ぐセパレータを介して巻回し、これをケースに収納して密封した構造を有する（図１及び図２参照）。陽極箔には誘電体層として絶縁性酸化皮膜を形成したアルミニウムが使用され、陰極箔にはエッチング処理を施したアルミニウム箔が一般に使用されている。そして、陽極と陰極の間に介在するセパレータには電解液が含浸されており、真の陰極として機能している。
【０００３】
電解液特性の中でも電気伝導率は、電解コンデンサのエネルギー損失やインピーダンス特性等に直接関わることから、高い電気伝導率を有する電解液の開発が盛んに行われている。例えば、γ−ブチロラクトン等の非プロトン性溶媒にフタル酸やマレイン酸等の第四級アンモニウム塩（例えば、特許文献１、特許文献２など）や第四級アミジニウム塩（例えば、特許文献３、特許文献４など）を溶解した電解液が提案されている。しかし、これらの電解液は、イオンの移動度が十分でなく、また陽極アルミニウムの化成性も不十分であるため、一般に定格電圧が３５V以下のコンデンサにしか用いることができない。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１４５７１５号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１４５７１３号公報
【特許文献３】
ＷＯ９５／１５５７２号パンフレット
【特許文献４】
特開平９−２８３３７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、電気伝導率が高く、熱安定性に優れ、耐電圧のより高い電解コンデンサ用電解液、およびインピーダンスがより低く、熱安定性に優れ、耐電圧のより高い電解コンデンサが求められている。
本発明者等は、先にテトラフルオロアルミン酸イオンを含有する電解コンデンサ用電解液は、これらの性能を満足することを見出した（特願平２００２−１３５３８７号）。しかしながら、この電解液を用いた電解コンデンサは、初期に有している高電気伝導率、熱安定性、耐電圧性などの特性を長期間維持することが難しいという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、テトラフルオロアルミン酸イオンを含む電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサについて、長期間の使用により性能が著しく劣化したものと性能があまり劣化しなかったものとについて、その電極表面を詳細に検討した結果、性能劣化が著しいものは陰極のアルミニウムがフッ素化されていることを見出した。
【０００７】
フタル酸、マレイン酸等の第四級アンモニウム塩や第四級アミジニウム塩などの電解質をγ―ブチロラクトンのような非プロトン性極性溶媒中に溶解した電解液を用いる従来のアルミニウム電解コンデンサでは、陰極表面がフッ素化されるということはないので、この陰極表面がフッ素化されることが性能劣化の原因であることを突きとめた。そして、特定の加速試験を行った後の陰極の表面をＸ線光電子分光法により分析した場合のＡｌ２ｐスペクトルが７４．０〜７５．８ｅＶの範囲にある、陰極のフッ素化が起こりにくいアルミニウム電解コンデンサは、上記課題、特に寿命特性が改善され、長期安定的に使用しうること見出し、本発明に到達した。
【０００８】
即ち、本発明の要旨は、陽極、アルミニウムからなる陰極、及び含フッ素アニオンのオニウム塩を含有する電解液からなるアルミニウム電解コンデンサであって、１２５℃で５０時間加熱した後のアルミニウム電解コンデンサ中の陰極の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析した場合、Ａｌ２ｐスペクトルのピークトップが７４．０〜７５．８ｅＶであることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサに存する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明につき、更に詳細に説明する。
本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの基本構成は、従来公知のアルミニウム電解コンデンサと同様であり、陽極と陰極とが、電解液を含浸したセパレータを介してケースに収納されている。
【００１０】
陽極としては、従来のアルミニウム電解コンデンサと同じく、アルミニウムの表面に酸化アルミニウム皮膜層を形成したものが用いられる。アルミニウムとしては、通常純度９９．９％以上のアルミニウムが用いられる。酸化アルミニウム皮膜層は、アルミニウムを酸性溶液中で化学的あるいは電気化学的なエッチングにより拡面処理した後、アジピン酸アンモニウムやホウ酸、リン酸等の水溶液中で化成処理を行うことなどにより形成することができる。陽極の厚さは、通常５０〜５００μｍである。
【００１１】
陰極としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。アルミニウムとしては、純度９９．９％以上のものが用いられる、アルミニウム合金としては、アルミニウム含量９９％程度のものが用いられる。アルミニウムの表面はエッチングにより、拡面処理されていてもよい。中でも耐水和性に優れる純度９９．９％のアルミニウム、アルミニウム−銅合金などのように耐食性に優れるアルミニウム合金、陽極酸化やチタン蒸着などの表面処理を施したものなどが表面のフッ素化が起こりにくいので好ましい。陰極の厚さは、通常２０〜２００μｍである。
【００１２】
セパレータとしては、マニラ紙、クラフト紙等の紙、ガラス繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド等の不織布などが用いられるが、なかでもマニラ紙が好ましい。
【００１３】
電解液は、含フッ素アニオンのオニウム塩とこれを溶解する溶媒とから主としてなる。
電解液中の水分は少ない方がよく、通常は水分量が５０００ｐｐｍ以下のものを用いる。水分量が１０００ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下のものが好ましい。
【００１４】
含フッ素アニオンとしては、一般式ＭＦn-で表されるアニオン（式中、Ｍは、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ｎｂ、Ｓｂ及びＴａからなる群から選ばれる元素を表し、ｎはＭの価数によって決まる４または６の数を表す。）、パーフルオロアルカンスルホン酸アニオン、ビス（パーフルオロアルカンスルホニル）イミドアニオン、トリス（パーフルオロアルカンスルホニル）メチドアニオン、パーフルオロアルキルフルオロホウ酸アニオン、パーフルオロアルキルフルオロリン酸アニオン等を挙げることができる。なかでも一般式ＭＦｎ-で表されるアニオンが好ましい。
【００１５】
一般式ＭＦn-で表されるアニオンの具体例としては、テトラフルオロホウ酸イオン、テトラフルオロアルミン酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ヘキサフルオロニオブ酸イオン、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン、ヘキサフルオロタンタル酸イオンを挙げることができる。中でも、電気伝導率が高く、熱安定性に優れ、かつ耐電圧性の高い電解液を得ることができるので、テトラフルオロアルミン酸イオン（ＡｌＦ4 -）が好ましい。
含フッ素アニオンは１種でも２種以上を併用してもよいが、アニオンとしてテトラフルオロアルミン酸イオンと他の含フッ素アニオンとを併用する場合には、含フッ素アニオン中のテトラフルオロアルミン酸イオンの割合は、好ましくは５〜１００モル％、より好ましくは３０〜１００モル％、特に好ましくは、５０〜１００モル％である。最も好ましくは含フッ素アニオンとしてテトラフルオロアルミン酸イオンのみを用いることである。
【００１６】
オニウム塩としては、第四級オニウム塩、アンモニウム塩などが挙げられ、第四級オニウム塩としては、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、第四級イミダゾリウム塩、第四級アミジニウム塩などが挙げられる。
【００１７】
第四級アンモニウム塩の第四級アンモニウムイオンとしては、以下のものが挙げられる。
（１）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、エチルトリメチルアンモニウム、ジエチルジメチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、トリメチルイソプロピルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ブチルアンモニウム、トリメチルイソブチルアンモニウム、トリメチル−ｔ−ブチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ヘキシルアンモニウム、ジメチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジメチルジイソプロピルアンモニウム、ジメチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、メチルトリ−ｎ−プロピルアンモニウム、メチルトリイソプロピルアンモニウム、メチルジ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、メチル−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、トリエチル−ｎ−プロピルアンモニウム、トリエチルイソプロピルアンモニウム、トリエチル−ｎ−ブチルアンモニウム、トリエチルイソブチルアンモニウム、トリエチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチルジ−ｎ−ブチルアンモニウム、ジメチルジイソブチルアンモニウム、ジメチルジ−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチルエチルアンモニウム、ジメチルイソブチルエチルアンモニウム、ジメチル−ｔ−ブチルエチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチルイソブチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチルイソブチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジエチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジエチルジイソプロピルアンモニウム、ジエチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、エチルトリ−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルトリイソプロピルアンモニウム、エチルジ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、エチル−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、ジエチルメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルジメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルメチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジエチルメチルイソプロピルアンモニウム、エチルジメチルイソプロピルアンモニウム、エチルメチルジイソプロピルアンモニウム、エチルメチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、テトラ−ｎ−プロピルアンモニウム、テトライソプロピルアンモニウム、ｎ−プロピルトリイソプロピルアンモニウム、ジ−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、トリ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、トリメチルブチルアンモニウム、トリメチルペンチルアンモニウム、トリメチルヘキシルアンモニウム、トリメチルヘプチルアンモニウム、トリメチルオクチルアンモニウム、トリメチルノニルアンモニウム、トリメチルデシルアンモニウム、トリメチルウンデシルアンモニウム、トリメチルドデシルアンモニウムなどが挙げられる。
【００１８】
（２）芳香族置換アンモニウム
トリメチルフェニルアンモニウム、テトラフェニルアンモニウムなどが挙げられる。
（３）脂肪族環状アンモニウム
Ｎ，Ｎ−ジメチルピロリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルピロリジニウム、Ｎ，Ｎ−テトラメチレンピロリジニウムなどのピロリジニウム；Ｎ，Ｎ−ジメチルピペリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−テトラメチレンピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−ペンタメチレンピペリジニウムなどのピペリジニウム；Ｎ，Ｎ−ジメチルモルホリニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルモルホリニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルモルホリニウムなどのモルホリニウムなどが挙げられる。
【００１９】
（４）含窒素ヘテロ環芳香族化合物のイオン
Ｎ−メチルピリジニウム、Ｎ−エチルピリジニウム、Ｎ−ｎ−プロピルピリジニウム、Ｎ−イソプロピルピリジニウム、Ｎ−ｎ−ブチルピリジニウムなどのピリジニウムが挙げられる。
【００２０】
第四級ホスホニウム塩の第四級ホスホニウムイオンとしては、テトラメチルホスホニウム、トリエチルメチルホスホニウム、テトラエチルホスホニウムなどが挙げられる。
【００２１】
第四級イミダゾリウム塩の第四級イミダゾリウムイオンとしては、１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，２，３−トリメチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジエチルイミダゾリウム、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリウム、１，３−ジエチル−２−メチルイミダゾリウム、１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウム、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−メチル−３−ｎ−プロピル−２，４−ジメチルイミダゾリウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリウム、１，２，３，４，５−ペンタメチルイミダゾリウム、２−エチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−プロピルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ペンチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプチルイミダゾリウム、１，３，４−トリメチルイミダゾリウム、２−エチル−１，３，４−トリメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチルベンゾイミダゾリウム、１−フェニル−３−メチルイミダゾリウム、１−ベンジル−３−メチルイミダゾリウム、１−フェニル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−ベンジル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、２−フェニル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、２−ベンジル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ウンデシルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプタデシルイミダゾリウム２−（２′−ヒドロキシ）エチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１−（２′−ヒドロキシ）エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、２−エトキシメチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１−エトキシメチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムなどが挙げられる。
【００２２】
第四級アミジニウム塩の第四級アミジニウムイオンとしては、以下のものが挙げられる。
（１）第四級イミダゾリニウム
１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３−トリメチルイミダゾリニウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリニウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，３−ジエチルイミダゾリニウム、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリニウム、１，３−ジエチル−２−メチルイミダゾリニウム、１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリニウム、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリニウム、１−メチル−３−ｎ−プロピル−２，４−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウム、２−エチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−プロピルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ペンチルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプチルイミダゾリニウム、１，３，４−トリメチルイミダゾリニウム、２−エチル−１，３，４−トリメチルイミダゾリニウム、１−フェニル−３−メチルイミダゾリニウム、１−ベンジル−３−メチルイミダゾリニウム、１−フェニル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−ベンジル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−フェニル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−ベンジル−１，３−ジメチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。
【００２３】
（２）第四級テトラヒドロピリミジニウム
１，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，３−ジエチルテトラヒドロピリミジニウム、１−エチル−３−メチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２，３−トリメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２，３−トリエチルテトラヒドロピリミジニウム、１−エチル−２，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、２−エチル−１，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２−ジエチル−３−メチルテトラヒドロピリミジニウム、１，３−ジエチル−２−メチルテトラヒドロピリミジニウム、５−メチル−１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネニウム−５、８−メチル−１，８−ジアザビシクロ〔４．０〕ウンデセニウム−７などが挙げられる。
【００２４】
（３）ヒドロキシル基、エーテル基などを有する第四級アミジニウムイオン
１，３−ジメチル−２−ｎ−ウンデシルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプタデシルイミダゾリニウム、２−（２′−ヒドロキシ）エチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−（２′−ヒドロキシ）エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−エトキシメチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−エトキシメチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３−トリメチル−１，４−ジヒドロピリミジニウムなどが挙げられる。
【００２５】
アミン塩のアミンとしては、トリメチルアミン、エチルジメチルアミン、ジエチルメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン、ピコリン、ピリミジン、ピリダジン、Ｎ−メチルイミダゾール、１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネン−５、１，８−ジアザビシクロ〔５．４．０〕ウンデン−７などの第三級アミン；ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、イソブチルアミン、ジ−２−エチルヘキシルアミン、ピロリジン、ピペリジン、モルホリン、ヘキサメチレンイミンなどの第二級アミン；エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、ｓｅｃ−ブチルアミン、２−エチルヘキシルアミンなどの第一級アミン；３−メトキシプロピルアミン、３−エトキシプロピルアミンなどのエーテル基を有するアミン；アンモニアなどが挙げられる。
アンモニウム塩のアンモニウムイオンは、ＮＨ4 +である。
【００２６】
これらのなかでも、得られる電解液の電気伝導率が高く、また、陰極のアルミニウムの腐食を抑制できるので、好ましいのは第四級オニウム、より好ましいのは第四級アミジニウム塩、最も好ましいのは第四級イミダゾリニウムである。第四級イミダゾリニウムのなかで好ましいのは、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムである。
また、第四級オニウムイオンの炭素数の和は、高い電気伝導率の電解液を得るという観点から４〜１２が好ましい。
【００２７】
電解液中の含フッ素アニオンのオニウム塩の濃度は、低いほど電解コンデンサ用電解液の耐電圧が増加する傾向にあるが、所望のコンデンサの定格電圧によって、決定すればよく、５０重量％程度の濃厚溶液であっても、常温溶融塩であってもよいが、通常５重量％以上、好ましくは１０重量％以上であり、通常４０重量％以下、好ましくは３５重量％以下である。含フッ素アニオンのオニウム塩の含有量が低すぎると電気伝導率が低く、また高すぎると電解液の粘度が増加したり、低温で析出が起こりやすくなる。
【００２８】
電解液は、含フッ素アニオン以外のアニオン成分を含んでいてもよい。これらの具体的な例としては、フタル酸水素イオン、フタル酸イオン、マレイン酸水素イオン、マレイン酸イオン、サリチル酸イオン、安息香酸イオン、アジピン酸水素イオン、アジピン酸イオン等のカルボン酸イオン；ベンゼンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン等のスルホン酸イオン；ホウ酸イオン、リン酸イオン等の無機オキソ酸イオンを挙げることができる。
【００２９】
なかでも、高い電気伝導率を有する電解液が得られ、熱安定性にも優れるので、フタル酸水素イオンが好ましい。フタル酸水素塩を含フッ素アニオンのオニウム塩と混合して用いる場合、含フッ素アニオンのオニウム塩が主体となることが好ましく、塩の総重量に対して、含フッ素アニオンのオニウム塩が５０重量％以上であることが好ましく、より好ましくは６０重量％以上、更に好ましくは７０重量％以上であり、含フッ素アニオンのオニウム塩の比率は高いほうが好ましい。
【００３０】
電解液が含フッ素アニオンのオニウム塩以外の塩を含んでいる場合、含フッ素アニオンのオニウム塩以外の塩の濃度は、通常０．１重量％以上、好ましくは１重量％以上であり、通常２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下である。
なお、電解液中には、上述の電解質に加えて、ｐ−ニトロ安息香酸、ｐ−ニトロフェノール、ｍ−ニトロアセトフェノンなどのニトロ化合物、リン酸モノブチル、リン酸ジブチル、リン酸ジオクチル、オクチルホスホン酸モノオクチルなどの酸性リン酸エステルなどの陰極のフッ素化を抑制する化合物を添加するのも好ましい。
【００３１】
電解液の溶媒としては、炭酸エステル、カルボン酸エステル、リン酸エステル、ニトリル、アミド、スルホン、アルコール、エーテル、スルホキシド、ウレア、ウレタンなどが挙げられる。
【００３２】
炭酸エステルとしては、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジフェニル、炭酸メチルフェニル等の鎖状炭酸エステル；炭酸エチレン、炭酸プロピレン、２，３−ジメチル炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、２−ビニル炭酸エチレン等の環状炭酸エステルなどが挙げられる。
【００３３】
カルボン酸エステルとしては、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸アミル等の脂肪族カルボン酸エステル；安息香酸メチル、安息香酸エチル等の芳香族カルボン酸エステル等の芳香族カルボン酸エステル；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などが挙げられる。なかでも好ましいのは、γ−ブチロラクトンである。
【００３４】
リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル、リン酸トリエチル等が挙げられる。
ニトリルとしては、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、２−メチルグルタロニトリル等が挙げられる。
【００３５】
アミドとしては、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−エチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリジノン等が挙げられる。
スルホンとしては、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、スルホラン、３−メチルスルホラン、２，４−ジメチルスルホラン等が挙げられる。なかでも好ましいのは、スルホラン及び３−メチルスルホランである。
【００３６】
アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等が挙げられる。
エーテルとしては、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、２，６−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が挙げられる。
【００３７】
スルホキシドとしては、ジメチルスルホキシド、メチルエチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等が挙げられる。
ウレアとしては、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ジメチル−３，４，５，６−テトラヒドロ−２（１Ｈ）−ピリミジノン等が挙げられる。
ウレタンとしては、３−メチル−２−オキサゾリジノン等が挙げられる。
【００３８】
これらの溶媒は単独で用いても、２種以上を混合してもよい。
電気伝導率の高い電解液が得られること、広い温度範囲で優れた特性を示すこと、電極材料を腐食しにくいことなどから、γ−ブチロラクトンが好ましい。また、熱安定性の点からはスルホラン、３−メチルスルホランが好ましい。スルホラン、３−メチルスルホランはγ−ブチロラクトンと併用しても良い。
このような溶媒を用いることにより、使用環境温度１０５〜１５０℃での動作を１０００時間以上保証する、低インピーダンスで高耐電圧な電解コンデンサが得られる。
【００３９】
アルミニウム電解コンデンサは、通常、箔状の陽極と箔状の陰極とを、電解液を含浸したセパレータを介して巻回又は積層して形成した素子を外装ケースに収納し、外装ケースの開口端部に封口体を挿入し、外装ケースの端部を絞り加工して、封口することにより作製される。
外装ケースとしては、アルミニウム製や樹脂製のケースを用いることができるが、封口が容易で、安価なアルミニウム製ケースが好ましい。
【００４０】
封口体としては、ブチルゴム、テフロン（Ｒ）ゴムなどのゴムを用いることができる。ブチルゴムとしては、イソブチレンとイソプレンとの共重合体からなる生ゴムにカーボンブラック等の補強材、クレイ、タルク、炭酸カルシウム等の増量材、ステアリン酸、酸化亜鉛等等の加工助材、加硫剤等を添加して混練した後、圧延、成型したゴム弾性体を用いることができる。加硫剤としては、アルキルフェノールホルマリン樹脂；ジクミルペルオキシド、１，１−ジ−（ｔ−ブチルペルオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ−（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン等の過酸化物；ｐ−キノンジオキシム、ｐ，ｐ′−ジベンゾイルキノンジオキシム等のキノイド；イオウ等を用いることができる。
【００４１】
封口体としてゴムを用いたアルミニウム電解コンデンサの場合、ある程度ゴムを通して気体が透過するため、高温環境下においてはコンデンサ内部から大気中へ溶媒が揮発し、また高温高湿環境下においては大気中からコンデンサ内部へ水分が混入する。これらの過酷な環境のもとでコンデンサは静電容量の減少等の好ましくない特性変化を起こす恐れがあるので、溶媒蒸気の透過性を低減させるために、ゴム封口体の表面をテフロン（Ｒ）等の樹脂でコーティングしたり、ベークライト等の板を貼り付けるのが好ましい。封口体は、材質によっては水分を含有するので、乾燥状態で保存したり、封口体の材質を水の発生しないものを用いることが好ましい。
【００４２】
また本発明のアルミニウム電解コンデンサは、ハーメチックシール構造や樹脂ケースに密閉した構造（例えば特開平８−１４８３８４号公報に記載）のものであってもよい。ハーメチックシール構造や樹脂ケースに密閉した構造のコンデンサにおいては、気体の透過量が極めて小さいため上述の過酷な環境下においても安定した特性を示す。
本発明のアルミ電解コンデンサの形状は特に限定されず、円筒型、長円型、角型、チップ型などの任意の形状にすることができる。
【００４３】
本発明に係るアルミニウム電解コンデンサは、上述のアルミニウム電解コンデンサを１２５℃で５０時間加熱した後、該コンデンサの陰極の表面をＸ線光電子分光法（以下「ＸＰＳ」ということがある）により分析した場合、Ａｌ２ｐスペクトルのピークトップの結合エネルギーが７４．０〜７５．８ｅＶである。Ａｌ２ｐスペクトルの結合エネルギーは、アルミニウムの結合状態を表している。この結合エネルギーが７４．０〜７５．８ｅＶの範囲はＡｌ−Ｏ結合のアルミニウムが多いことを表している。７５．８ｅＶより大きい範囲ではＡｌ−Ｆ結合のアルミニウムが多く、このような陰極では静電容量、等価直列抵抗などを長期間高水準に維持することが難しい。また、７４．０ｅＶより小さい範囲では金属状態のアルミニウムが多い。
【００４４】
ＸＰＳ分析は、具体的には、次のように行う。
まず、アルミニウム電解コンデンサを１２５℃の恒温槽中で５０時間加熱した後、室温で放冷する。コンデンサを解体し、陰極箔を取り出す。陰極箔は、蒸留水およびアセトンで洗浄・乾燥し、次いで、Ａｒイオンにより２ｋＶで２分間スパッタリングを行って表面を清浄化した後、ＸＰＳ分析を行う。ＸＰＳ分析は、Ｘ線源としてＡｌ−Ｋα線を用い、測定領域は直径８００ｎｍとする。測定は３点で行い、その平均値を求める。巻回型素子構造のコンデンサの場合は、陰極の腐食が起こりやすい最外周部分を分析に用いる。
【００４５】
含フッ素アニオンを含むオニウム塩を電解質とする電解液は、２５℃における電気伝導率が５〜３０ｍＳ／ｃｍ、１２５℃における耐電圧が１００〜２５０Ｖであり、従来の非含フッ素アニオン系の電解液と比較して高い電気伝導率と、高い耐電圧を兼ね備えていることが特徴である。特に、テトラフルオロアルミン酸の第四級アミジニウム塩を電解質とし、γ−ブチロラクトンを溶媒とする電解液系は、電気伝導率２０ｍＳ／ｃｍ以上、耐電圧１５０Ｖ以上の極めて優れた特性を示し、この電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサは低インピーダンス、高耐電圧、かつ熱安定性に優れたものとなる。しかしながら、このアルミニウム電解コンデンサでは、含フッ素アニオンを含有するオニウム塩とコンデンサの陰極のアルミニウム箔との反応が起こり易く、その結果、陰極の表面がＡｌ−Ｆ結合を多く含むようになり、等価直列抵抗（ＥＳＲ）などのライフ特性の低下、ガス発生によるコンデンサの膨れ等の問題が起こる。しかしながら、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサは、電解液中の水分の規制、助剤の添加、陰極材質の選択などにより陰極のフッ素化が阻止されているので、このような問題が発生しない。
【００４６】
【実施例】
＜実施例１＞
（アルミニウム電解コンデンサの作製）
陽極箔として、厚さ１２０μｍ、純度９９．９％のアルミニウム箔を電解エッチングにより拡面化処理し、引き続き、アジピン酸アンモニウム水溶液中で化成電圧１６０Ｖの陽極酸化処理により、その表面に酸化アルミニウムからなる誘電体を形成したものを、１９０ｍｍ×１３．５ｍｍに切断して用いた。
陰極箔としては、厚さ３０μｍ、純度９９．９％のアルミニウム箔を電解エッチングにより拡面化処理したものを、２００ｍｍ×１３．５ｍｍに切断して用いた。
セパレータとして、２１８ｍｍ×１５０ｍｍに切断した厚さ５２μｍのマニラ紙を用いた。
【００４７】
電解液としては、乾燥したテトラフルオロアルミン酸の１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム塩２５重量部を、低水分グレードのγ−ブチロラクトン７５重量部に溶解したものを用いた。この電解液中に含まれる水分量をカールフィッシャー水分計により測定したところ１０００ｐｐｍであった。
図１に示すように、リード線４（ハンダメッキ導線）が溶接されたタブ端子を取り付けた陽極箔１と陰極箔２の間に、電解液を含浸したセパレータ３を配置して巻回し、コンデンサ素子巻き止め用粘着テープで固定した。このコンデンサ素子の仕様は、定格電圧１００Ｖ、定格静電容量５５μＦである。このコンデンサ素子をケースに収容し、封口してアルミニウム電解コンデンサを作成した。
【００４８】
（加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析）
アルミニウム電解コンデンサを１２５℃の恒温槽中に５０時間放置した。放冷後、コンデンサを解体して陰極箔を取り出し、蒸留水およびアセトンにて洗浄、乾燥し、次いで、Ａｒイオンにより２ｋＶで２分間スパッタリングを行った後、表面のＸＰＳ分析を行った。
Ｘ線光電子分光装置はＰＨＩ社製ＥＳＣＡ５７００Ｃｉ、Ｘ線源としてＡｌ−Ｋαを用い、測定領域は直径８００μｍとした。結果を図３に示す。図３より明かなようにＡｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
また、得られたアルミニウム電解コンデンサに温度１２５℃で１００時間の無負荷試験を行い、試験前後で１２０Ｈｚにおける静電容量および１００ｋＨｚにおける等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定した。結果を表−１に示す。
【００４９】
＜比較例１＞
実施例１で用いた電解液に水を添加して水分量を３重量％とした電解液を用いた以外は実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った。結果を図３に示す。図３より明らかなように、Ａｌ２ｐのピークトップは７６．０ｅＶであった。
また、実施例１と同様に無負荷試験を行った。結果を表−１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
＜実施例２＞
電解液として、比較例１で使用いた電解液にｐ−ニトロ安息香酸１重量部を添加した電解液を用いた以外は、実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った結果、Ａｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
【００５２】
＜実施例３＞
電解液として比較例１で使用した電解液を用い、さらに、陰極箔としてアジピン酸アンモニウム水溶液中で化成電圧５Ｖの陽極酸化処理を行ったアルミニウム箔を用いた以外は、実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った結果、Ａｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、インピーダンス特性、熱安定性、耐電圧性などの優位性を保持して、長期安定的に使用できるアルミニウム電解コンデンサを提供することができる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に用いるコンデンサ素子の概略図
【図２】 本発明の実施例に用いるアルミニウム電解コンデンサの断面図
【図３】 実施例１及び比較例１の陰極のＡｌ２ｐスペクトル
【符号の説明】
１ 陽極箔
２ 陰極箔
３ セパレータ
４ リード線
５ 封口ゴム
６ 外装ケース
【発明が属する技術分野】
本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム電解コンデンサは、小型でありながら大きな静電容量を有する点に特徴があり、低周波のフィルターやバイパス用に多用されている。アルミニウム電解コンデンサは、一般に陽極箔と陰極箔とを両端の短絡を防ぐセパレータを介して巻回し、これをケースに収納して密封した構造を有する（図１及び図２参照）。陽極箔には誘電体層として絶縁性酸化皮膜を形成したアルミニウムが使用され、陰極箔にはエッチング処理を施したアルミニウム箔が一般に使用されている。そして、陽極と陰極の間に介在するセパレータには電解液が含浸されており、真の陰極として機能している。
【０００３】
電解液特性の中でも電気伝導率は、電解コンデンサのエネルギー損失やインピーダンス特性等に直接関わることから、高い電気伝導率を有する電解液の開発が盛んに行われている。例えば、γ−ブチロラクトン等の非プロトン性溶媒にフタル酸やマレイン酸等の第四級アンモニウム塩（例えば、特許文献１、特許文献２など）や第四級アミジニウム塩（例えば、特許文献３、特許文献４など）を溶解した電解液が提案されている。しかし、これらの電解液は、イオンの移動度が十分でなく、また陽極アルミニウムの化成性も不十分であるため、一般に定格電圧が３５V以下のコンデンサにしか用いることができない。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１４５７１５号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１４５７１３号公報
【特許文献３】
ＷＯ９５／１５５７２号パンフレット
【特許文献４】
特開平９−２８３３７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、電気伝導率が高く、熱安定性に優れ、耐電圧のより高い電解コンデンサ用電解液、およびインピーダンスがより低く、熱安定性に優れ、耐電圧のより高い電解コンデンサが求められている。
本発明者等は、先にテトラフルオロアルミン酸イオンを含有する電解コンデンサ用電解液は、これらの性能を満足することを見出した（特願平２００２−１３５３８７号）。しかしながら、この電解液を用いた電解コンデンサは、初期に有している高電気伝導率、熱安定性、耐電圧性などの特性を長期間維持することが難しいという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、テトラフルオロアルミン酸イオンを含む電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサについて、長期間の使用により性能が著しく劣化したものと性能があまり劣化しなかったものとについて、その電極表面を詳細に検討した結果、性能劣化が著しいものは陰極のアルミニウムがフッ素化されていることを見出した。
【０００７】
フタル酸、マレイン酸等の第四級アンモニウム塩や第四級アミジニウム塩などの電解質をγ―ブチロラクトンのような非プロトン性極性溶媒中に溶解した電解液を用いる従来のアルミニウム電解コンデンサでは、陰極表面がフッ素化されるということはないので、この陰極表面がフッ素化されることが性能劣化の原因であることを突きとめた。そして、特定の加速試験を行った後の陰極の表面をＸ線光電子分光法により分析した場合のＡｌ２ｐスペクトルが７４．０〜７５．８ｅＶの範囲にある、陰極のフッ素化が起こりにくいアルミニウム電解コンデンサは、上記課題、特に寿命特性が改善され、長期安定的に使用しうること見出し、本発明に到達した。
【０００８】
即ち、本発明の要旨は、陽極、アルミニウムからなる陰極、及び含フッ素アニオンのオニウム塩を含有する電解液からなるアルミニウム電解コンデンサであって、１２５℃で５０時間加熱した後のアルミニウム電解コンデンサ中の陰極の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析した場合、Ａｌ２ｐスペクトルのピークトップが７４．０〜７５．８ｅＶであることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサに存する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明につき、更に詳細に説明する。
本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの基本構成は、従来公知のアルミニウム電解コンデンサと同様であり、陽極と陰極とが、電解液を含浸したセパレータを介してケースに収納されている。
【００１０】
陽極としては、従来のアルミニウム電解コンデンサと同じく、アルミニウムの表面に酸化アルミニウム皮膜層を形成したものが用いられる。アルミニウムとしては、通常純度９９．９％以上のアルミニウムが用いられる。酸化アルミニウム皮膜層は、アルミニウムを酸性溶液中で化学的あるいは電気化学的なエッチングにより拡面処理した後、アジピン酸アンモニウムやホウ酸、リン酸等の水溶液中で化成処理を行うことなどにより形成することができる。陽極の厚さは、通常５０〜５００μｍである。
【００１１】
陰極としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。アルミニウムとしては、純度９９．９％以上のものが用いられる、アルミニウム合金としては、アルミニウム含量９９％程度のものが用いられる。アルミニウムの表面はエッチングにより、拡面処理されていてもよい。中でも耐水和性に優れる純度９９．９％のアルミニウム、アルミニウム−銅合金などのように耐食性に優れるアルミニウム合金、陽極酸化やチタン蒸着などの表面処理を施したものなどが表面のフッ素化が起こりにくいので好ましい。陰極の厚さは、通常２０〜２００μｍである。
【００１２】
セパレータとしては、マニラ紙、クラフト紙等の紙、ガラス繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド等の不織布などが用いられるが、なかでもマニラ紙が好ましい。
【００１３】
電解液は、含フッ素アニオンのオニウム塩とこれを溶解する溶媒とから主としてなる。
電解液中の水分は少ない方がよく、通常は水分量が５０００ｐｐｍ以下のものを用いる。水分量が１０００ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下のものが好ましい。
【００１４】
含フッ素アニオンとしては、一般式ＭＦn-で表されるアニオン（式中、Ｍは、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ｎｂ、Ｓｂ及びＴａからなる群から選ばれる元素を表し、ｎはＭの価数によって決まる４または６の数を表す。）、パーフルオロアルカンスルホン酸アニオン、ビス（パーフルオロアルカンスルホニル）イミドアニオン、トリス（パーフルオロアルカンスルホニル）メチドアニオン、パーフルオロアルキルフルオロホウ酸アニオン、パーフルオロアルキルフルオロリン酸アニオン等を挙げることができる。なかでも一般式ＭＦｎ-で表されるアニオンが好ましい。
【００１５】
一般式ＭＦn-で表されるアニオンの具体例としては、テトラフルオロホウ酸イオン、テトラフルオロアルミン酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ヘキサフルオロニオブ酸イオン、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン、ヘキサフルオロタンタル酸イオンを挙げることができる。中でも、電気伝導率が高く、熱安定性に優れ、かつ耐電圧性の高い電解液を得ることができるので、テトラフルオロアルミン酸イオン（ＡｌＦ4 -）が好ましい。
含フッ素アニオンは１種でも２種以上を併用してもよいが、アニオンとしてテトラフルオロアルミン酸イオンと他の含フッ素アニオンとを併用する場合には、含フッ素アニオン中のテトラフルオロアルミン酸イオンの割合は、好ましくは５〜１００モル％、より好ましくは３０〜１００モル％、特に好ましくは、５０〜１００モル％である。最も好ましくは含フッ素アニオンとしてテトラフルオロアルミン酸イオンのみを用いることである。
【００１６】
オニウム塩としては、第四級オニウム塩、アンモニウム塩などが挙げられ、第四級オニウム塩としては、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、第四級イミダゾリウム塩、第四級アミジニウム塩などが挙げられる。
【００１７】
第四級アンモニウム塩の第四級アンモニウムイオンとしては、以下のものが挙げられる。
（１）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、エチルトリメチルアンモニウム、ジエチルジメチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、トリメチルイソプロピルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ブチルアンモニウム、トリメチルイソブチルアンモニウム、トリメチル−ｔ−ブチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ヘキシルアンモニウム、ジメチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジメチルジイソプロピルアンモニウム、ジメチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、メチルトリ−ｎ−プロピルアンモニウム、メチルトリイソプロピルアンモニウム、メチルジ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、メチル−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、トリエチル−ｎ−プロピルアンモニウム、トリエチルイソプロピルアンモニウム、トリエチル−ｎ−ブチルアンモニウム、トリエチルイソブチルアンモニウム、トリエチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチルジ−ｎ−ブチルアンモニウム、ジメチルジイソブチルアンモニウム、ジメチルジ−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチルエチルアンモニウム、ジメチルイソブチルエチルアンモニウム、ジメチル−ｔ−ブチルエチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチルイソブチルアンモニウム、ジメチル−ｎ−ブチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジメチルイソブチル−ｔ−ブチルアンモニウム、ジエチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジエチルジイソプロピルアンモニウム、ジエチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、エチルトリ−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルトリイソプロピルアンモニウム、エチルジ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、エチル−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、ジエチルメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルジメチル−ｎ−プロピルアンモニウム、エチルメチルジ−ｎ−プロピルアンモニウム、ジエチルメチルイソプロピルアンモニウム、エチルジメチルイソプロピルアンモニウム、エチルメチルジイソプロピルアンモニウム、エチルメチル−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、テトラ−ｎ−プロピルアンモニウム、テトライソプロピルアンモニウム、ｎ−プロピルトリイソプロピルアンモニウム、ジ−ｎ−プロピルジイソプロピルアンモニウム、トリ−ｎ−プロピルイソプロピルアンモニウム、トリメチルブチルアンモニウム、トリメチルペンチルアンモニウム、トリメチルヘキシルアンモニウム、トリメチルヘプチルアンモニウム、トリメチルオクチルアンモニウム、トリメチルノニルアンモニウム、トリメチルデシルアンモニウム、トリメチルウンデシルアンモニウム、トリメチルドデシルアンモニウムなどが挙げられる。
【００１８】
（２）芳香族置換アンモニウム
トリメチルフェニルアンモニウム、テトラフェニルアンモニウムなどが挙げられる。
（３）脂肪族環状アンモニウム
Ｎ，Ｎ−ジメチルピロリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルピロリジニウム、Ｎ，Ｎ−テトラメチレンピロリジニウムなどのピロリジニウム；Ｎ，Ｎ−ジメチルピペリジニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−テトラメチレンピペリジニウム、Ｎ，Ｎ−ペンタメチレンピペリジニウムなどのピペリジニウム；Ｎ，Ｎ−ジメチルモルホリニウム、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルモルホリニウム、Ｎ，Ｎ−ジエチルモルホリニウムなどのモルホリニウムなどが挙げられる。
【００１９】
（４）含窒素ヘテロ環芳香族化合物のイオン
Ｎ−メチルピリジニウム、Ｎ−エチルピリジニウム、Ｎ−ｎ−プロピルピリジニウム、Ｎ−イソプロピルピリジニウム、Ｎ−ｎ−ブチルピリジニウムなどのピリジニウムが挙げられる。
【００２０】
第四級ホスホニウム塩の第四級ホスホニウムイオンとしては、テトラメチルホスホニウム、トリエチルメチルホスホニウム、テトラエチルホスホニウムなどが挙げられる。
【００２１】
第四級イミダゾリウム塩の第四級イミダゾリウムイオンとしては、１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，２，３−トリメチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジエチルイミダゾリウム、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリウム、１，３−ジエチル−２−メチルイミダゾリウム、１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウム、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−メチル−３−ｎ−プロピル−２，４−ジメチルイミダゾリウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリウム、１，２，３，４，５−ペンタメチルイミダゾリウム、２−エチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−プロピルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ペンチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプチルイミダゾリウム、１，３，４−トリメチルイミダゾリウム、２−エチル−１，３，４−トリメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチルベンゾイミダゾリウム、１−フェニル−３−メチルイミダゾリウム、１−ベンジル−３−メチルイミダゾリウム、１−フェニル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−ベンジル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、２−フェニル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、２−ベンジル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ウンデシルイミダゾリウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプタデシルイミダゾリウム２−（２′−ヒドロキシ）エチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１−（２′−ヒドロキシ）エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、２−エトキシメチル−１，３−ジメチルイミダゾリウム、１−エトキシメチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムなどが挙げられる。
【００２２】
第四級アミジニウム塩の第四級アミジニウムイオンとしては、以下のものが挙げられる。
（１）第四級イミダゾリニウム
１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３−トリメチルイミダゾリニウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリニウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，３−ジエチルイミダゾリニウム、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリニウム、１，３−ジエチル−２−メチルイミダゾリニウム、１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリニウム、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリニウム、１−メチル−３−ｎ−プロピル−２，４−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウム、２−エチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−プロピルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ペンチルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプチルイミダゾリニウム、１，３，４−トリメチルイミダゾリニウム、２−エチル−１，３，４−トリメチルイミダゾリニウム、１−フェニル−３−メチルイミダゾリニウム、１−ベンジル−３−メチルイミダゾリニウム、１−フェニル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−ベンジル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−フェニル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−ベンジル−１，３−ジメチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。
【００２３】
（２）第四級テトラヒドロピリミジニウム
１，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，３−ジエチルテトラヒドロピリミジニウム、１−エチル−３−メチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２，３−トリメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２，３−トリエチルテトラヒドロピリミジニウム、１−エチル−２，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、２−エチル−１，３−ジメチルテトラヒドロピリミジニウム、１，２−ジエチル−３−メチルテトラヒドロピリミジニウム、１，３−ジエチル−２−メチルテトラヒドロピリミジニウム、５−メチル−１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネニウム−５、８−メチル−１，８−ジアザビシクロ〔４．０〕ウンデセニウム−７などが挙げられる。
【００２４】
（３）ヒドロキシル基、エーテル基などを有する第四級アミジニウムイオン
１，３−ジメチル−２−ｎ−ウンデシルイミダゾリニウム、１，３−ジメチル−２−ｎ−ヘプタデシルイミダゾリニウム、２−（２′−ヒドロキシ）エチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−（２′−ヒドロキシ）エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、２−エトキシメチル−１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１−エトキシメチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３−トリメチル−１，４−ジヒドロピリミジニウムなどが挙げられる。
【００２５】
アミン塩のアミンとしては、トリメチルアミン、エチルジメチルアミン、ジエチルメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン、ピコリン、ピリミジン、ピリダジン、Ｎ−メチルイミダゾール、１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネン−５、１，８−ジアザビシクロ〔５．４．０〕ウンデン−７などの第三級アミン；ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、イソブチルアミン、ジ−２−エチルヘキシルアミン、ピロリジン、ピペリジン、モルホリン、ヘキサメチレンイミンなどの第二級アミン；エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、ｓｅｃ−ブチルアミン、２−エチルヘキシルアミンなどの第一級アミン；３−メトキシプロピルアミン、３−エトキシプロピルアミンなどのエーテル基を有するアミン；アンモニアなどが挙げられる。
アンモニウム塩のアンモニウムイオンは、ＮＨ4 +である。
【００２６】
これらのなかでも、得られる電解液の電気伝導率が高く、また、陰極のアルミニウムの腐食を抑制できるので、好ましいのは第四級オニウム、より好ましいのは第四級アミジニウム塩、最も好ましいのは第四級イミダゾリニウムである。第四級イミダゾリニウムのなかで好ましいのは、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムである。
また、第四級オニウムイオンの炭素数の和は、高い電気伝導率の電解液を得るという観点から４〜１２が好ましい。
【００２７】
電解液中の含フッ素アニオンのオニウム塩の濃度は、低いほど電解コンデンサ用電解液の耐電圧が増加する傾向にあるが、所望のコンデンサの定格電圧によって、決定すればよく、５０重量％程度の濃厚溶液であっても、常温溶融塩であってもよいが、通常５重量％以上、好ましくは１０重量％以上であり、通常４０重量％以下、好ましくは３５重量％以下である。含フッ素アニオンのオニウム塩の含有量が低すぎると電気伝導率が低く、また高すぎると電解液の粘度が増加したり、低温で析出が起こりやすくなる。
【００２８】
電解液は、含フッ素アニオン以外のアニオン成分を含んでいてもよい。これらの具体的な例としては、フタル酸水素イオン、フタル酸イオン、マレイン酸水素イオン、マレイン酸イオン、サリチル酸イオン、安息香酸イオン、アジピン酸水素イオン、アジピン酸イオン等のカルボン酸イオン；ベンゼンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン等のスルホン酸イオン；ホウ酸イオン、リン酸イオン等の無機オキソ酸イオンを挙げることができる。
【００２９】
なかでも、高い電気伝導率を有する電解液が得られ、熱安定性にも優れるので、フタル酸水素イオンが好ましい。フタル酸水素塩を含フッ素アニオンのオニウム塩と混合して用いる場合、含フッ素アニオンのオニウム塩が主体となることが好ましく、塩の総重量に対して、含フッ素アニオンのオニウム塩が５０重量％以上であることが好ましく、より好ましくは６０重量％以上、更に好ましくは７０重量％以上であり、含フッ素アニオンのオニウム塩の比率は高いほうが好ましい。
【００３０】
電解液が含フッ素アニオンのオニウム塩以外の塩を含んでいる場合、含フッ素アニオンのオニウム塩以外の塩の濃度は、通常０．１重量％以上、好ましくは１重量％以上であり、通常２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下である。
なお、電解液中には、上述の電解質に加えて、ｐ−ニトロ安息香酸、ｐ−ニトロフェノール、ｍ−ニトロアセトフェノンなどのニトロ化合物、リン酸モノブチル、リン酸ジブチル、リン酸ジオクチル、オクチルホスホン酸モノオクチルなどの酸性リン酸エステルなどの陰極のフッ素化を抑制する化合物を添加するのも好ましい。
【００３１】
電解液の溶媒としては、炭酸エステル、カルボン酸エステル、リン酸エステル、ニトリル、アミド、スルホン、アルコール、エーテル、スルホキシド、ウレア、ウレタンなどが挙げられる。
【００３２】
炭酸エステルとしては、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジフェニル、炭酸メチルフェニル等の鎖状炭酸エステル；炭酸エチレン、炭酸プロピレン、２，３−ジメチル炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、２−ビニル炭酸エチレン等の環状炭酸エステルなどが挙げられる。
【００３３】
カルボン酸エステルとしては、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸アミル等の脂肪族カルボン酸エステル；安息香酸メチル、安息香酸エチル等の芳香族カルボン酸エステル等の芳香族カルボン酸エステル；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などが挙げられる。なかでも好ましいのは、γ−ブチロラクトンである。
【００３４】
リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル、リン酸トリエチル等が挙げられる。
ニトリルとしては、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、２−メチルグルタロニトリル等が挙げられる。
【００３５】
アミドとしては、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−エチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリジノン等が挙げられる。
スルホンとしては、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、スルホラン、３−メチルスルホラン、２，４−ジメチルスルホラン等が挙げられる。なかでも好ましいのは、スルホラン及び３−メチルスルホランである。
【００３６】
アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等が挙げられる。
エーテルとしては、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、２，６−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が挙げられる。
【００３７】
スルホキシドとしては、ジメチルスルホキシド、メチルエチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等が挙げられる。
ウレアとしては、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ジメチル−３，４，５，６−テトラヒドロ−２（１Ｈ）−ピリミジノン等が挙げられる。
ウレタンとしては、３−メチル−２−オキサゾリジノン等が挙げられる。
【００３８】
これらの溶媒は単独で用いても、２種以上を混合してもよい。
電気伝導率の高い電解液が得られること、広い温度範囲で優れた特性を示すこと、電極材料を腐食しにくいことなどから、γ−ブチロラクトンが好ましい。また、熱安定性の点からはスルホラン、３−メチルスルホランが好ましい。スルホラン、３−メチルスルホランはγ−ブチロラクトンと併用しても良い。
このような溶媒を用いることにより、使用環境温度１０５〜１５０℃での動作を１０００時間以上保証する、低インピーダンスで高耐電圧な電解コンデンサが得られる。
【００３９】
アルミニウム電解コンデンサは、通常、箔状の陽極と箔状の陰極とを、電解液を含浸したセパレータを介して巻回又は積層して形成した素子を外装ケースに収納し、外装ケースの開口端部に封口体を挿入し、外装ケースの端部を絞り加工して、封口することにより作製される。
外装ケースとしては、アルミニウム製や樹脂製のケースを用いることができるが、封口が容易で、安価なアルミニウム製ケースが好ましい。
【００４０】
封口体としては、ブチルゴム、テフロン（Ｒ）ゴムなどのゴムを用いることができる。ブチルゴムとしては、イソブチレンとイソプレンとの共重合体からなる生ゴムにカーボンブラック等の補強材、クレイ、タルク、炭酸カルシウム等の増量材、ステアリン酸、酸化亜鉛等等の加工助材、加硫剤等を添加して混練した後、圧延、成型したゴム弾性体を用いることができる。加硫剤としては、アルキルフェノールホルマリン樹脂；ジクミルペルオキシド、１，１−ジ−（ｔ−ブチルペルオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ−（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン等の過酸化物；ｐ−キノンジオキシム、ｐ，ｐ′−ジベンゾイルキノンジオキシム等のキノイド；イオウ等を用いることができる。
【００４１】
封口体としてゴムを用いたアルミニウム電解コンデンサの場合、ある程度ゴムを通して気体が透過するため、高温環境下においてはコンデンサ内部から大気中へ溶媒が揮発し、また高温高湿環境下においては大気中からコンデンサ内部へ水分が混入する。これらの過酷な環境のもとでコンデンサは静電容量の減少等の好ましくない特性変化を起こす恐れがあるので、溶媒蒸気の透過性を低減させるために、ゴム封口体の表面をテフロン（Ｒ）等の樹脂でコーティングしたり、ベークライト等の板を貼り付けるのが好ましい。封口体は、材質によっては水分を含有するので、乾燥状態で保存したり、封口体の材質を水の発生しないものを用いることが好ましい。
【００４２】
また本発明のアルミニウム電解コンデンサは、ハーメチックシール構造や樹脂ケースに密閉した構造（例えば特開平８−１４８３８４号公報に記載）のものであってもよい。ハーメチックシール構造や樹脂ケースに密閉した構造のコンデンサにおいては、気体の透過量が極めて小さいため上述の過酷な環境下においても安定した特性を示す。
本発明のアルミ電解コンデンサの形状は特に限定されず、円筒型、長円型、角型、チップ型などの任意の形状にすることができる。
【００４３】
本発明に係るアルミニウム電解コンデンサは、上述のアルミニウム電解コンデンサを１２５℃で５０時間加熱した後、該コンデンサの陰極の表面をＸ線光電子分光法（以下「ＸＰＳ」ということがある）により分析した場合、Ａｌ２ｐスペクトルのピークトップの結合エネルギーが７４．０〜７５．８ｅＶである。Ａｌ２ｐスペクトルの結合エネルギーは、アルミニウムの結合状態を表している。この結合エネルギーが７４．０〜７５．８ｅＶの範囲はＡｌ−Ｏ結合のアルミニウムが多いことを表している。７５．８ｅＶより大きい範囲ではＡｌ−Ｆ結合のアルミニウムが多く、このような陰極では静電容量、等価直列抵抗などを長期間高水準に維持することが難しい。また、７４．０ｅＶより小さい範囲では金属状態のアルミニウムが多い。
【００４４】
ＸＰＳ分析は、具体的には、次のように行う。
まず、アルミニウム電解コンデンサを１２５℃の恒温槽中で５０時間加熱した後、室温で放冷する。コンデンサを解体し、陰極箔を取り出す。陰極箔は、蒸留水およびアセトンで洗浄・乾燥し、次いで、Ａｒイオンにより２ｋＶで２分間スパッタリングを行って表面を清浄化した後、ＸＰＳ分析を行う。ＸＰＳ分析は、Ｘ線源としてＡｌ−Ｋα線を用い、測定領域は直径８００ｎｍとする。測定は３点で行い、その平均値を求める。巻回型素子構造のコンデンサの場合は、陰極の腐食が起こりやすい最外周部分を分析に用いる。
【００４５】
含フッ素アニオンを含むオニウム塩を電解質とする電解液は、２５℃における電気伝導率が５〜３０ｍＳ／ｃｍ、１２５℃における耐電圧が１００〜２５０Ｖであり、従来の非含フッ素アニオン系の電解液と比較して高い電気伝導率と、高い耐電圧を兼ね備えていることが特徴である。特に、テトラフルオロアルミン酸の第四級アミジニウム塩を電解質とし、γ−ブチロラクトンを溶媒とする電解液系は、電気伝導率２０ｍＳ／ｃｍ以上、耐電圧１５０Ｖ以上の極めて優れた特性を示し、この電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサは低インピーダンス、高耐電圧、かつ熱安定性に優れたものとなる。しかしながら、このアルミニウム電解コンデンサでは、含フッ素アニオンを含有するオニウム塩とコンデンサの陰極のアルミニウム箔との反応が起こり易く、その結果、陰極の表面がＡｌ−Ｆ結合を多く含むようになり、等価直列抵抗（ＥＳＲ）などのライフ特性の低下、ガス発生によるコンデンサの膨れ等の問題が起こる。しかしながら、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサは、電解液中の水分の規制、助剤の添加、陰極材質の選択などにより陰極のフッ素化が阻止されているので、このような問題が発生しない。
【００４６】
【実施例】
＜実施例１＞
（アルミニウム電解コンデンサの作製）
陽極箔として、厚さ１２０μｍ、純度９９．９％のアルミニウム箔を電解エッチングにより拡面化処理し、引き続き、アジピン酸アンモニウム水溶液中で化成電圧１６０Ｖの陽極酸化処理により、その表面に酸化アルミニウムからなる誘電体を形成したものを、１９０ｍｍ×１３．５ｍｍに切断して用いた。
陰極箔としては、厚さ３０μｍ、純度９９．９％のアルミニウム箔を電解エッチングにより拡面化処理したものを、２００ｍｍ×１３．５ｍｍに切断して用いた。
セパレータとして、２１８ｍｍ×１５０ｍｍに切断した厚さ５２μｍのマニラ紙を用いた。
【００４７】
電解液としては、乾燥したテトラフルオロアルミン酸の１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム塩２５重量部を、低水分グレードのγ−ブチロラクトン７５重量部に溶解したものを用いた。この電解液中に含まれる水分量をカールフィッシャー水分計により測定したところ１０００ｐｐｍであった。
図１に示すように、リード線４（ハンダメッキ導線）が溶接されたタブ端子を取り付けた陽極箔１と陰極箔２の間に、電解液を含浸したセパレータ３を配置して巻回し、コンデンサ素子巻き止め用粘着テープで固定した。このコンデンサ素子の仕様は、定格電圧１００Ｖ、定格静電容量５５μＦである。このコンデンサ素子をケースに収容し、封口してアルミニウム電解コンデンサを作成した。
【００４８】
（加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析）
アルミニウム電解コンデンサを１２５℃の恒温槽中に５０時間放置した。放冷後、コンデンサを解体して陰極箔を取り出し、蒸留水およびアセトンにて洗浄、乾燥し、次いで、Ａｒイオンにより２ｋＶで２分間スパッタリングを行った後、表面のＸＰＳ分析を行った。
Ｘ線光電子分光装置はＰＨＩ社製ＥＳＣＡ５７００Ｃｉ、Ｘ線源としてＡｌ−Ｋαを用い、測定領域は直径８００μｍとした。結果を図３に示す。図３より明かなようにＡｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
また、得られたアルミニウム電解コンデンサに温度１２５℃で１００時間の無負荷試験を行い、試験前後で１２０Ｈｚにおける静電容量および１００ｋＨｚにおける等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定した。結果を表−１に示す。
【００４９】
＜比較例１＞
実施例１で用いた電解液に水を添加して水分量を３重量％とした電解液を用いた以外は実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った。結果を図３に示す。図３より明らかなように、Ａｌ２ｐのピークトップは７６．０ｅＶであった。
また、実施例１と同様に無負荷試験を行った。結果を表−１に示す。
【００５０】
【表１】
＜実施例２＞
電解液として、比較例１で使用いた電解液にｐ−ニトロ安息香酸１重量部を添加した電解液を用いた以外は、実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った結果、Ａｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
【００５２】
＜実施例３＞
電解液として比較例１で使用した電解液を用い、さらに、陰極箔としてアジピン酸アンモニウム水溶液中で化成電圧５Ｖの陽極酸化処理を行ったアルミニウム箔を用いた以外は、実施例１と同様に行ってアルミニウム電解コンデンサを作製した。
得られたアルミニウム電解コンデンサは、実施例１と同様に加熱処理及び陰極のＸＰＳ分析を行った結果、Ａｌ２ｐのピークトップは７４．９ｅＶであった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、インピーダンス特性、熱安定性、耐電圧性などの優位性を保持して、長期安定的に使用できるアルミニウム電解コンデンサを提供することができる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に用いるコンデンサ素子の概略図
【図２】 本発明の実施例に用いるアルミニウム電解コンデンサの断面図
【図３】 実施例１及び比較例１の陰極のＡｌ２ｐスペクトル
【符号の説明】
１ 陽極箔
２ 陰極箔
３ セパレータ
４ リード線
５ 封口ゴム
６ 外装ケース
Claims (3)
- 陽極、純度９９．９％以上のアルミニウム、アルミニウム−銅合金、陽極酸化を施したアルミニウムおよびチタン蒸着を施したアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の陰極、ならびに、テトラフルオロアルミン酸イオンのオニウム塩を含有する電解液からなるアルミニウム電解コンデンサであって、１２５℃で５０時間加熱した後のアルミニウム電解コンデンサ中の陰極の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析した場合、Ａｌ２ｐスペクトルのピークトップが７４．０〜７５．８ｅＶであることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
- オニウム塩が、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、第四級イミダゾリウム塩、第四級アミジニウム塩及びアンモニウム塩からなる群から選ばれるものであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム電解コンデンサ。
- オニウム塩がテトラフルオロアルミン酸の１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム塩であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム電解コンデンサ。
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