JP4793956B2 - アルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液、およびこれを用いたアルミニウム電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液（以下、電解液と称す）、およびそれを用いたアルミニウム電解コンデンサに関するものである。

電解コンデンサは、様々な電気製品、電子製品において、主として電源回路用やデジタル回路のノイズフィルタ用として広く用いられている。
このような電解コンデンサは、コンデンサ素子に電解液を含浸した後、金属製の筒状ケースに収納し、開口部を弾性ゴムにより封口した後、封口した部位を絞り加工することにより構成される。
ここで、コンデンサ素子は、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回したものであり、陽極箔としては、一般に、高純度のアルミニウム箔を電気化学的にエッチング処理して表面積を拡大させた後、化成処理を行い、エッチング箔表面に酸化皮膜を形成したものである。陰極箔は、アルミニウム箔をエッチング処理したものである。

近年、電子部品のデジタル化が進む中で、電解コンデンサの低損失、低インピーダンス化への要求が高まっており、電解コンデンサに使用する電解液は、低比抵抗化に向けて開発が進められている。
従来、低圧用電解液にはエチレングリコールを主溶媒とし、これに水分を１０％程度添加した混合溶媒に、電解質としてアジピン酸、安息香酸等のアンモニウム塩を溶解したものが使用されている。このような電解液の比抵抗は１５０Ω・ｃｍ程度である。

電解コンデンサにおいては電解液の低比抵抗化以外にも種々の方法によりインピーダンスを低減するための手段が図られている。
例えば、電解コンデンサに収納される電極面積を増やす手法や、セパレータを低密度化する手法が用いられているが、前者はコンデンサの小形化に対応できず、後者はセパレータの引っ張り強度の低下や耐ショート性の低下を招くこととなるため、これらの手法では大幅な低インピーダンス化を実現するには至らない。

そこで、電解液の比抵抗を大幅に低減する手法として、電解液中の水分量を大幅に増加させて電解液の比抵抗を低減する方法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
特許第３３６６２６７号 特許第３３６６２６８号

しかしながら、通常、水を多量に含む電解液を用いた電解コンデンサにおいては、電極箔として使用しているアルミニウムが除々に溶出してアルミニウムイオンが生成する。
さらにこのアルミニウムイオンは電解液中の水分と反応し、水酸化アルミニウムとなり箔表面に析出する。この反応が進むことにより、箔劣化が進行して最終的にはコンデンサの著しい特性悪化を引き起こすことになる。

こうした電極箔の劣化に対しては、リン酸の添加により抑制効果が認められることがよく知られているが、十分なものではない。
リン酸は電解液中に溶出したアルミニウムイオンと反応してリン酸アルミニウムを形成し、箔に付着することにより、水酸化アルミニウムの生成を抑止する働きを有するものの、時間経過とともにリン酸が消費されていき、最終的には電解液中からリン酸が消失してしまうためである。
なお、リン酸を長期的に残存させる目的で添加量を多くし過ぎると、漏れ電流等の特性が悪化するという問題がある。

以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、水の配合により低比抵抗化を図った場合でも、リン酸の効果を維持し続けることにより、電解コンデンサにおいて高い信頼性を確保することのできる電解コンデンサの駆動用電解液を提供することにある。

また、本発明の課題は、比抵抗の低い電解液を用いることにより低インピーダンス化を図った場合でも、高い信頼性を備えた電解コンデンサを提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために本願発明者が種々検討した結果、到達したものであり、イノシトール６リン酸またはその金属錯体の特性に着目し、その特性を電解液に適用しようとするものである。

すなわち、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液では、水を含む溶媒に、少なくとも、カルボン酸および／またはカルボン酸塩と、リン酸化合物と、以下の化学式で示されるイノシトール６リン酸とを配合し、前記溶媒は、溶液全体に対して２０．０〜８０．０ｗｔ％の水と、有機溶媒との混合溶媒からなり、前記リン酸化合物は、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、リン酸エステル類またはそれらの塩であり、前記イノシトール６リン酸の配合量が電解液全体に対して０．１〜３．０ｗｔ％であることを特徴とする。

本発明に係る電解液に配合したイノシトール６リン酸は、各種金属と金属錯体を形成するため、イノシトール６リン酸を電解液に配合すると、水溶液中のアルミニウムイオンと反応して水溶性錯体であるイノシトール６リン酸−アルミニウムを形成する。それ故、水酸化アルミニウムの生成の抑制が可能である。
さらに、この金属錯体は、経時的に加水分解することにより、イノシトールとリン酸に分解して電解液中にリン酸イオンを放出するため、電解液中のリン酸イオンが長期間にわたって適正量に、かつ一定に保たれるので、長期的に電極箔の劣化を抑制し、製品の寿命特性を向上することが可能である。

本発明に係る電解コンデンサの駆動用電解液は、水を含む溶媒に、少なくとも、カルボン酸および／またはカルボン酸塩と、リン酸化合物と、上記の化学式で示されるイノシトール６リン酸またはその金属錯体とが配合されていることを特徴とする。

本発明において、前記カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、シュウ酸、プロピオン酸、安息香酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸、フタル酸、アゼライン酸、クエン酸等を例示することができ、前記カルボン酸塩としては、アンモニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アミン塩を例示することができる。これらの溶質のうち、ギ酸、アジピン酸のアンモニウム塩が低比抵抗化と寿命特性の双方を実現する上で好適である。

本発明において、リン酸化合物としては、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、リン酸エステル類またはそれらの塩を用いることができる。例えば、リン酸モノメチル、リン酸ジメチル、リン酸モノエチル、リン酸ジエチル、リン酸モノプロピル、リン酸ジプロピル、リン酸モノエチレングリコール、リン酸ジエチレングリコール等を用いることができる。

本発明において、前記イノシトール６リン酸またはその金属錯体の含有量は、電解液全体に対して０．１〜３．０ｗｔ％であることが好ましい。配合量が０．１ｗｔ％未満の場合、電解コンデンサの長寿命化の効果が殆ど認められず、また、３．０ｗｔ％を超えると配合量に対する効果が明確に現れなくなるか、最適値を逸脱したために寿命特性を低下させることがある。
また、イノシトール６リン酸の金属錯体としては、アルミニウム、鉄、銅、カルシウム、マグネシウム、チタン、タンタル等の金属錯体を用いることができるが、電極材料として使用されるアルミニウムの錯体が好ましい。

ここで、前記溶媒は、例えば、溶液全体に対して２０．０〜８０．０ｗｔ％の水と、有機溶媒との混合溶媒からなる。有機溶媒としては、プロトン系溶媒または非プロトン系溶媒のいずれを用いてもよい。
プロトン系溶媒の例としては、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、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、プロピレングリコール、グリセリン等を挙げることができ、その中でもエチレングリコールが好適である。非プロトン系溶媒の例としては、γ−ブチロラクトン等のラクトン化合物が挙げられる。

さらに、本発明に係る電解液には、漏れ電流の低減、耐電圧向上、ガス吸収等の目的でコンデンサ駆動用電解液として一般的に使用される種々の添加剤を加えることができる。添加剤の例として、グルコース、フルクトース、マンニトール、キシロース、ガラクトース等の糖類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の高分子化合物、ニトロフェノール、ニトロ安息香酸、ニトロアセトフェノン、ニトロアニソール、ジニトロ安息香酸等のニトロ化合物、シランカップリング剤等を挙げることができる。

このように構成した電解液が用いられる電解コンデンサは、コンデンサ素子に電解液を含浸した後、金属製の筒状ケースに収納し、開口部を弾性ゴムにより封口した後、封口した部位を絞り加工することにより構成される。
ここで、コンデンサ素子は、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回したものであり、陽極箔としては、一般に、高純度のアルミニウム箔を電気化学的にエッチング処理して表面積を拡大させた後、ホウ酸アンモニウム水溶液、アジピン酸アンモニウム水溶液等の化成液中で化成処理を行い、エッチング箔表面に酸化皮膜を形成したものである。陰極箔も、アルミニウム箔をエッチング処理したものである。

本発明に係る電解液は水の配合により比抵抗を低減できることから、電解コンデンサのインピーダンスを低下することができ、かつ、信頼性が高い。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下に挙げる実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明は以下の内容に限定されるものではない。

以下の評価に用いる巻回型電解コンデンサの作成方法について以下に述べる。高純度のアルミニウム箔を電気化学的にエッチング処理して表面積を拡大させた後、ホウ酸アンモニウム水溶液、アジピン酸アンモニウム水溶液等の化成液中で化成処理を行い、エッチング箔表面に酸化皮膜を形成して陽極箔を得る。また、高純度のアルミニウム箔をエッチング処理して陰極箔を得る。
次に、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回し、コンデンサ用素子を作製した。そして、コンデンサ素子に表１に示す組成の電解液を含浸してから、金属製の有底筒状ケースに収納し、次に、開口部を弾性ゴムにより封口するとともに、封口した部位を絞り加工して巻回型電解コンデンサ(６．３ＷＶ−１０００μＦ）を作製した。

使用した電解液の３０℃における比抵抗の値を表１に併せて記載する。

表１に示す電解液を使用して、定格６．３Ｖ−１０００μＦ（φ１０×１２．５ｍｍＬ）の電解コンデンサを各１０個作製し、静電容量、漏れ電流について初期特性測定後、１０５℃にてＤＣ６．３Ｖ負荷試験を行い１０００時間、３０００時間経過後に再度これらの特性値を測定した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、イノシトール６リン酸またはその金属錯体を使用していない従来例１〜５では、１０５℃定格印加試験、３０００時間後におけるにおける特性悪化が著しい結果となった。

これに対して、イノシトール６リン酸を配合した本発明の実施例では、従来例に比較して信頼性が高いことが分かる。特に、配合量が０．１〜３．０ｗｔ％の範囲にある実施例１〜３、実施例５〜７、実施例１４〜１６は、極めて良好な寿命特性を示している。

但し、イノシトール６リン酸の配合量が０．１ｗｔ％未満である比較例４では３０００時間で弁作動に至っている一方、同配合量が３．０ｗｔ％を超える比較例８では３０００時間で著しい容量低下と漏れ電流の増大が発生することから、イノシトール６リン酸の配合量は０．１〜３．０ｗｔ％が好ましいことが分かる。

また、溶媒である水の混合量は、電解液全体に対して２０．０〜８０．０ｗｔ％が好ましい。２０．０ｗｔ％未満では、低インピーダンス用途に不適であり、８０．０ｗｔ％を超えると、イノシトール６リン酸の効果が十分得られない。

以上のように、本発明によれば、低インピーダンスで寿命特性が良好な電解コンデンサの実用化が可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、先に例示した各種溶質を単独または複数溶解した電解液や、電解コンデンサの駆動用電解液に使用される一般的な添加剤を加えた電解液についても上記実施例と同等の効果があった。

Claims (2)

1. 水を含む溶媒に、少なくとも、カルボン酸および／またはカルボン酸塩と、リン酸化合物と、以下の化学式で示されるイノシトール６リン酸とが配合され、
   前記溶媒は、溶液全体に対して２０．０〜８０．０ｗｔ％の水と、有機溶媒との混合溶媒からなり、
   前記リン酸化合物は、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、リン酸エステル類またはそれらの塩であり、
   前記イノシトール６リン酸の配合量が電解液全体に対して０．１〜３．０ｗｔ％であることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液。
   
2. 請求項１に記載のアルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液を用いたことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。