JP6316567B2 - アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤 - Google Patents

アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤 Download PDF

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Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサ用電解液に添加する添加剤に関する。
近年、車載電装用電源やデジタル家電の使用電圧の上昇に伴い、電解液の電導度を維持しつつ、かつ電解液の耐電圧が高い電解液が要望されてきている。しかしながら、一般的に、電解液の電導度が高くなると電解コンデンサの耐電圧は低下する傾向にあり、電解コンデンサの開発を困難なものにしている。そこで、高い電導度を有する電解液を使用しながら、高い耐電圧を有する電解コンデンサを得る試みとして、例えば、電解液にポリエチレングリコールを添加することにより、電解液の高い電導度を維持しつつ耐電圧を上昇させることが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開昭62−268121号公報
しかし、特許文献1で提案されたポリエチレングリコールを添加することにより耐電圧を上昇させることができるものの、電導度に改善の余地がある。
本発明の課題は、電解液の電導度を維持しつつ、電解液の耐電圧を上昇させることが可能なアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤、それを用いたアルミニウム電解コンデンサ用電解液、およびアルミニウム電解コンデンサを提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、本発明に至った。即ち、本発明は、一般式(1)で表される、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)を含有するアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)であって、分岐アルコール(F)が第2級アルコールおよび/または第3級アルコールであるアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A);該添加剤(A)、電解質(B)および溶媒(C)を含有するアルミニウム電解コンデンサ用電解液(S);該電解液(S)を用いてなるアルミニウム電解コンデンサである。
−O−(RO)−H (1)
[式中、Rは、炭素数6〜20の分岐アルキル基、Rは炭素数2〜4のアルキレン基
、mはROの平均付加モル数を表し、3〜15の数である。]
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤を使用した電解液は、電導度を維持しつつ、耐電圧が高い。
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)は、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)を含有する。(P)は上記一般式(1)で表される。
分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)を電解液中に溶解させることによって、アルミニウム電解コンデンサの陽極表面に欠陥部が生じた場合、浸透性に優れる構造を有する分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)が該欠陥部に素早く浸透し、かつ分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)が有するアルキル基の立体障害により電解質アニオンの該欠陥部への進入が抑制されることで、電解液の電導度を維持しつつ、かつ耐電圧を高くできると推定される。
耐電圧向上効果の観点から、一般式(1)中におけるRは、炭素数6〜20の分岐アルキル基であり、溶解性の観点からRは炭素数2〜4のアルキレン基で(RO)の平均付加モル数mとしては、3〜15の数である。
炭素数6〜20の分岐アルキル基(R)としては、第1級分岐アルキル基(g1)、第2級分岐アルキル基(g2)及び第3級分岐アルキル基(g3)が含まれる。
ここで第1級分岐アルキル基(g1)とは、アルキル基において遊離原子価を有する炭素原子(1位の炭素原子)が2個の水素原子を有し、かつ2位および/または3位の炭素原子にアルキル側鎖が結合している構造をいうものとする。第2級分岐アルキル基(g2)とは、遊離原子価を有する炭素原子に1個の水素原子が結合している構造、第3級分岐アルキル基(g3)とは、遊離原子価を有する炭素原子に水素原子が結合していない構造ををいうものとする。
一般式(1)において、Rが第1級分岐アルキル基(g1)であるアルキレンオキシド付加物(P)を(P1)とし、Rが第2級分岐アルキル基(g2)であるアルキレンオキシド付加物(P)を(P2)とし、Rが第3級分岐アルキル基(g3)であるアルキレンオキシド付加物(P)を(P3)とする。
上記分岐アルキル基(R)のうち、耐電圧向上効果の観点から、第2級分岐アルキル基(g2)、第3級分岐アルキル基(g3)が好ましい。
(g2)および(g3)のうちでも炭素数9〜15の分岐アルキル基が、耐電圧向上効果に加え電導度がさらに高いので好ましい。
さらに炭素数9〜15の(g2)および(g3)で、遊離原子価を有する炭素原子が分子の中央に位置する分岐アルキル基が特に好ましい。
ここで遊離原子価を有する炭素原子が分子の中央に位置するとは、(g2)においては遊離原子価を有する炭素原子に結合する2つのアルキル鎖の炭素数がいずれも5以上である構造を言うものとする。また(g3)においては遊離原子価を有する炭素原子に結合する3つのアルキル鎖の炭素数がいずれも3以上である構造を言うものとする。
炭素数6〜20の第1級分岐アルキル基(g1)としては、2−メチルペンチル基、2−メチルヘキシル基、2−プロピルペンチル基、2−メチルオクチル基、2−エチルオクチル基、2−メチルデシル基、2−ペンチルヘキシル基、2−メチルウンデシル基、2−ヘキシルヘキシル基、2−メチルドデシル基、2−ヘキシルヘプチル基、2−プロピルウンデシル基、2−メチルテトラデシル基、2−メチルペンタデシル基、2−メチルヘキサデシル基、2−メチルヘプタデシル基、2−メチルオクタデシル基、2−メチルノナデシル基、3−メチルペンチル基、3−エチルペンチル基、3−エチルヘキシル基、3−プロピルヘキシル基、3−プロピルヘプチル基、3−ブチルヘプチル基、3−ペンチルヘキシル基、3−ブチルオクチル基、3−ヘキシルヘキシル基、3−メチルドデシル基、3−ヘキシルヘプチル基、3−エチルドデシル基、3−プロピルドデシル基、3−エチルテトラデシル基、3−ブチルトリデシル基、3−メチルヘプタデシル基、3−エチルヘプタデシル基、3−プロピルヘプタデシル基、2,3−ジメチルブチル基、2−メチル−3−エチルペンチル基、2−エチル−3−プロピルペンチル基、2−メチル−3−ブチルヘキシル基、2,3−ジプロピルペンチル基、2−エチル−3−ブチルヘキシル基、2−プロピル−3−ブチルペンチル基、2−メチル−3−プロピルノニル基、2,3−ジブチルペンチル基、2−メチル−3−エチルウンデシル基、2−エチル−3−プロピルデシル基、2−メチル−3−ブチルドデシル基、2,3−ジエチルヘキサデシル基等が挙げられる。
炭素数6〜20の第2級分岐アルキル基(g2)としては、1−メチルペンチル基、1−メチルヘキシル基、1−メチルヘプチル基、1−メチルオクチル基、1−メチルノニル基、1−メチルデシル基、1−ペンチルヘキシル基、1−エチルデシル基、1−ヘキシルヘキシル基、1−メチルドデシル基、1−ヘキシルヘプチル基、1−エチルドデシル基、1−メチルテトラデシル基、1−ヘプチルオクチル基、1−メチルペンタデシル基、1−メチルヘキサデシル基、1−メチルヘプタデシル基、1−メチルオクタデシル基、1−メチルノナデシル基等が挙げられる。
これらのうちで、1−メチルオクチル基、1−メチルノニル基、1−メチルデシル基、1−ペンチルヘキシル基、1−エチルデシル基、1−ヘキシルヘキシル基、1−メチルドデシル基、1−ヘキシルヘプチル基、1−エチルドデシル基、1−メチルテトラデシル基、1−ヘプチルオクチル基が好ましく、1−ペンチルヘキシル基、1−ヘキシルヘキシル基、1−ヘキシルヘプチル基、1−ヘプチルオクチル基が特に好ましい。
炭素数6〜20の第3級分岐アルキル基(g3)としては、1,1−ジメチルブチル基、1,1−ジメチルペンチル基、1,1−ジエチルブチル基、1,1−ジメチルヘプチル基、1,1−ジメチルオクチル基、1,1−ジプロピルブチル基、1,1−ジエチルヘプチル基、1,1−ジメチルデシル基、1,1−ジメチルウンデシル基、1,1−ジブチルペンチル基、1,1−ジメチルドデシル基、1,1−ジエチルウンデシル基、1,1−ジメチルテトラデシル基、1,1−ジエチルトリデシル基、1,1−ジメチルヘキサデシル基、1,1−ジエチルペンタデシル基、1,1−ジメチルオクタデシル基等が挙げられる。
これらのうちで、1,1−ジメチルヘプチル基、1,1−ジメチルオクチル基、1,1−ジプロピルブチル基、1,1−ジエチルヘプチル基、1,1−ジメチルデシル基、1,1−ジメチルウンデシル基、1,1−ジブチルペンチル基、1,1−ジメチルドデシル基、1,1−ジエチルウンデシル基が好ましく、1,1−ジプロピルブチル基、1,1−ジブチルペンチル基が特に好ましい。
炭素数2〜4のアルキレン基(R)としては、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、およびそれらの混合等が挙げられる。耐電圧向上効果の観点から好ましいのは、エチレン基である。
一般式(1)におけるmは3〜15の数であり、耐電圧向上効果の観点から好ましくは5〜12であり、更に好ましくは7〜12である。なお、mは、炭素数2〜4のオキシアルキレン基(RO)の平均付加モル数を表しているため、mは、整数であるとは限らず小数の場合もある。
この平均付加モル数mは、一般式(1)で表される分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)の水酸基価を測定することで求めることができる。なお、水酸基価は、JIS K1557−1(2007)に準拠して測定される。
一般式(1)で表される、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)は、その原料である分岐アルコール(F)にエチレンオキシド(以下、エチレンオキシドをEOと略称する。)、1,2−プロピレンオキシド(以下、1,2−プロピレンオキシドをPOと略称する。)、1,2−ブチレンオキシド(以下、1,2−ブチレンオキシドをBOと略称する。)またはそれらの混合物を付加反応させることによって製造されるが、その一般的な製造方法は、条件は以下の通りである。
分岐アルコール(F)にEO、POまたはBOを開環付加反応させる際の反応温度は、好ましくは60〜200℃であり、反応時間の観点からより好ましくは70℃〜140℃である。反応圧力は好ましくは−0.1〜0.5MPaである。反応時間は好ましくは5〜24時間である。反応は触媒存在下で行われる。
上記の触媒は、通常用いられる公知の触媒でよく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ触媒、三フッ化ホウ素、四塩化錫等のルイス酸触媒などが挙げられる。触媒の使用量は一般式(1)で表されるアルコールのアルキレンオキシド付加物(P)の仕上がり量に対して0.01〜5質量%であり、好ましくは0.1〜0.5質量%である。
これらの触媒は、一般式(1)で表されるアルコールのアルキレンオキシド付加物(P)中に残しておいてもよいし、吸着剤を用いて吸着・ろ過し、除去する方法や、酸またはアルカリで中和して触媒を不活性化する方法により、触媒を後処理してもよい。
一般式(1)で表される、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)の具体例としては、2−メチルペンチルアルコールEO3モル付加物、2−ヘプチルアルコールPO4モル付加物、1,1−ジエチルブチルアルコールBO5モル付加物、2−プロピルペンチルアルコールPO12モル付加物、2−メチルオクチルアルコールEO6モル付加物、1,1−ジメチルヘプチルアルコールEO10モル付加物、2−デシルアルコールEO7モル付加物、1,1−ジプロピルブチルアルコールEO9モル付加物、1,1−ジエチルヘプチルアルコールEO12モル付加物、3−ドデシルアルコールEO9モル付加物、6−ドデシルアルコールEO8モル付加物、1−メチルドデシルアルコールEO8モル付加物、7−トリデシルアルコールEO9モル付加物、1,1−ジブチルペンチルアルコールEO8モル付加物、7−テトラデシルアルコールEO10モル付加物、2−メチルトリデシルアルコールPO7モル付加物、2−メチルテトラデシルアルコールEO11モル付加物、1−ヘプチルオクチルアルコールEO7モル付加物、2−ヘキサデシルアルコールEO11モル付加物、1,1−ジエチルトリデシルアルコールPO12モル付加物、2−メチルヘプタデシルアルコールBO13モル付加物、2−ノナデシルアルコールEO14モル付加物、1,1−ジメチルオクタデシルアルコールPO15モル付加物等が挙げられる。これらのうち2種以上を組み合わせてもよい。また、分岐アルコール(F)のPOとEO、BOとEO、BOとPO、またはPOとEOとBOの混合物のアルキレンオキシド付加物(P)であってもよい。
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)は、上記一般式(1)で表される、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)を含有するが、他の成分(H)を含有することもできる。他の成分(H)としてはアルミニウム電解コンデンサ用電解液に通常用いられる種々の添加剤を挙げることができる。該添加剤としては、ホウ酸誘導体(ホウ酸、ホウ酸と多糖類〔マンニット、ソルビット等〕との錯化合物、ホウ酸と多価アルコール〔エチレングリコール、グリセリン等〕との錯化合物等)、ニトロ化合物(o−ニトロ安息香酸、p−ニトロ安息香酸、m−ニトロ安息香酸、o−ニトロフェノール、p−ニトロフェノール等)等を挙げることができる。その添加量は(A)の重量に基づいて、50重量%以下であることが好ましい。(A)は(P)のみを含有することが好ましい。
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用電解液(S)は、アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)、電解質(B)および溶媒(C)を含有する。
(S)は、(B)を(C)に溶解させた溶液中に、(A)を溶解させることで得ることができる。または、(A)を(C)に溶解させた溶液と、(B)を(C)に溶解させた溶液とを混合して得てもよい。溶解させる方法としては、例えば、通常の櫂型撹拌羽根を用いて、室温で撹拌する方法等が挙げられる。
電解質(B)は、カチオン(D)とアニオン(E)との塩からなる。
電解質(B)を形成するカチオン(D)としては、第4級アンモニウムカチオン(D1)、第1〜3級アンモニウムカチオン、アンモニウムイオン、ホスホニウムカチオン及びそれらの混合物等が使用できる。また、各カチオンは1種または2種以上を併用してもよい。
第4級アンモニウムカチオン(D1)としては、アミジニウムカチオン(D11)、テトラアルキルアンモニウムカチオン(D12)等が含まれる。
アミジニウムカチオン(D11)としては、イミダゾリニウムカチオン(D111)及びイミダゾリウムカチオン(D112)等が含まれる。
イミダゾリニウムカチオン(D111)としては、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム、1,3,4−トリメチル−2−エチルイミダゾリニウム、1,3−ジメチル−2,4−ジエチルイミダゾリニウム、1,2−ジメチル−3,4−ジエチルイミダゾリニウム、及び1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリニウム等が挙げられる。
イミダゾリウムカチオン(D112)としては、1,3−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−エチル−3−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、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリウム、1,3−ジメチル−2−エチルイミダゾリウム、及び1−エチル−2,3−ジメチル−イミダゾリウム等が挙げられる。
テトラアルキルアンモニウムカチオン(D12)としては、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、スピロ−(1,1’)−ビピロリジニウム及びスピロ−(1,1’)−ビピペリジニウム等が挙げられる。
第1級アンモニウムとしては、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム、プロピルアンモニウム、イソプロピルアンモニウム、ブチルアンモニウム、エチレンジアンモニウム、エチレンジアミンモノアンモニウム、1,2−ジアンモニウムプロパン及び1,2−ジアミノプロパンモノアンモニウム等が挙げられる。
第2級アンモニウムとしては、ジメチルアンモニウム、ジエチルアンモニウム、メチルエチルアンモニウム、メチルプロピルアンモニウム、メチルイソプロピルアンモニウム、ジプロピルアンモニウム、ジイソプロピルアンモニウム、メチルホルミルメチルアンモニウム及びメチルホルミルエチルアンモニウム等が挙げられる。
第3級アンモニウムとしては、トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、ジメチルエチルアンモニウム、ジメチルプロピルアンモニウム、ジメチルイソプロピルアンモニウム、ジエチルメチルアンモニウム、メチルエチルプロピルアンモニウム、メチルエチルイソプロピルアンモニウム、ジプロピルメチルアンモニウム、ジイソプロピルメチルアンモニウム、ジメチルホルミルメチルアンモニウム、ジメチルホルミルエチルアンモニウム及びジエチルホルミルメチルアンモニウム等が挙げられる。
ホスホニウムカチオンとしては、炭素数1〜4のアルキルを有するテトラアルキルホスホニウムカチオン{テトラメチルホスホニウム、テトラエチルホスホニウム及びトリエチルメチルホスホニウム等}が挙げられる。
上記カチオン(D)のうち、中高圧級電解コンデンサ用電解液として、好ましいものは、第3級アンモニウムカチオンおよびアンモニウムイオン、更に好ましいものは、トリエチルアンモニウムカチオンおよびアンモニウムイオンである。
低圧級電解コンデンサ用電解液として、好ましいものは、イミダゾリニウムカチオン(D111)、イミダゾリウムカチオン(D112)、更に好ましくは1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウムカチオン、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリニウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオンおよび1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムカチオンである。
本発明において、電解質(B)を形成するアニオン(E)を構成する酸(e)としては、アルミニウム電解コンデンサ用電解液に通常用いられる種々の有機酸及び/又は無機酸を用いることができる。有機酸、無機酸としては、例えば下記の(e1)〜(e5)が挙げられる。
カルボン酸(e1)
炭素数2〜15の2〜4価のポリカルボン酸:脂肪族ポリカルボン酸[飽和ポリカルボン酸(シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スペリン酸、アゼライン酸、セバチン酸、1,6−デカンジカルボン酸等)、不飽和ポリカルボン酸(マレイン酸、フマール酸、イタコン酸等)]、芳香族ポリカルボン酸[フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等]、硫黄含有ポリカルボン酸[チオジプロピオン酸等]。
炭素数2〜20のオキシカルボン酸:脂肪族オキシカルボン酸[グリコール酸、乳酸、酒酪酸、ひまし油脂肪酸等];芳香族オキシカルボン酸[サリチル酸、マンデル酸等];
炭素数1〜30のモノカルボン酸:脂肪族モノカルボン酸[飽和モノカルボン酸(ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、ウラリル酸、ミリスチン酸、ステアリン酸、ベヘン酸等)、不飽和モノカルボン酸(アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、オレイン酸等)];芳香族モノカルボン酸[安息香酸、ケイ皮酸、ナフトエ酸等]
アルキルリン酸エステル(e2)
アルキルリン酸エステルとしては、モノアルキルリン酸エステル(e21)及びジアルキルリン酸エステル(e22)が含まれる 。
モノアルキルリン酸エステル(e21)
モノメチルリン酸エステル、モノエチルリン酸エステル、モノプロピルリン酸エステル[モノ(n−プロピル)リン酸エステル、モノ(iso−プロピル)リン酸エステル]、モノブチルリン酸エステル[モノ(n−ブチル)リン酸エステル、モノ(iso−ブチル)リン酸エステル、及びモノ(tert−ブチル)リン酸エステル]、モノペンチルリン酸エステル、モノヘキシルリン酸エステル、モノへプチルリン酸エステル、モノオクチルリン酸エステル[モノ(2−エチルヘキシル)リン酸エステル等]等。
ジアルキルリン酸エステル(e22)
ジメチルリン酸エステル、ジエチルリン酸エステル、ジプロピルリン酸エステル[ジ(n−プロピル)リン酸エステル、ジ(iso−プロピル)リン酸エステル]、ジブチルリン酸エステル[ジ(n−ブチル)リン酸エステル、ジ(iso−ブチル)リン酸エステル、及びジ(tert−ブチル)リン酸エステル]、ジペンチルリン酸エステル、ジヘキシルリン酸エステル、ジヘプチルリン酸エステル、ジオクチルリン酸エステル[ビス(2−エチルヘキシル)リン酸エステル等]等。
スルホン酸(e3)
アルキル(炭素数1〜15)ベンゼンスルホン酸(p−トルエンスルホン酸、ノニルベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸等)、スルホサリチル酸、メタンスルホン酸、三フッ化メタンスルホン酸等。
無機酸(e4)
リン酸、四フッ化ホウ素酸、過塩素酸、六フッ化リン酸、六フッ化アンチモン酸、六フッ化ヒ素酸等
その他(e5)三フッ化メタンスルホニルイミド、三フッ化メタンスルホニルメチド等。
上記アニオン(D)を構成する酸のうち、中高圧級電解コンデンサ用電解液として、好ましいものは、飽和ポリカルボン酸および芳香族モノカルボン酸、更に好ましいのは、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および安息香酸である。低圧級電解コンデンサ用電解液として、好ましいものは、芳香族モノカルボン酸、芳香族ポリカルボン酸、芳香族オキシカルボン酸、脂肪族不飽和ポリカルボン酸およびジアルキルリン酸エステル、更に好ましいのは、安息香酸、フタル酸、サリチル酸、マレイン酸およびジエチルリン酸エステルである。
電解質(B)としては、取り扱いの観点から、電解質(B)の性状が25℃で液体であるか、電解質(B)に溶媒(C)を加えて得られる溶液が25℃で液体であることが好ましい。
本発明において、電解質(B)を溶解する溶媒(C)としては、アルミニウム電解コンデンサ用電解液に通常用いられる種々の有機溶媒を用いることができる。有機溶媒としては、例えば下記の(c1)〜(c8)が挙げられる。
アルコール類(c1)
1価アルコール(メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ジアセトンアルコール、ベンジルアルコール、モノエタノールアミン、フルフリルアルコールなど)、2価アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ジエタノールアミンなど)、3価アルコール(グリセリン、トリエタノールアミンなど)、4価以上のアルコール(ヘキシトールなど)等。
エーテル類(c2)
モノエーテル(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、エチレングリコールモノフェニルエーテル、テトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフラン等)、ジエーテル(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、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等)、トリエーテル(ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル等)等。
アミド類(c3)
アセトアミド(N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド等)、プロピオンアミド(N,N−ジメチルプロピオンアミド等)、ピロリドン(N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン等)、ヘキサメチルホスホリルアミド等。
オキサゾリジノン類(c3)
N−メチル−2−オキサゾリジノン、3,5−ジメチル−2−オキサゾリジノン等。
ラクトン類(c4)
γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、β−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン等。
ニトリル類(c5)
アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、ベンゾニトリル等。
カーボネート類(c6)
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等。
スルホン類(c7)
スルホラン、ジメチルスルホン等。
その他の有機溶剤(c8)
ジメチルスルホキシド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、芳香族溶媒(トルエン、キシレン等)、パラフィン溶媒(ノルマルパラフィン、イソパラフィン等)等。
上記溶媒(C)のうち、炭素数1〜20のものが好ましく、炭素数1〜10のものがより好ましい。更に好ましくは、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、エチレングリコールおよびジエチレングリコールである。
アルミ電解コンデンサ用電解液添加剤(A)の含有量は、アルミ電解コンデンサ用電解液添加剤(A)、電解質(B)および溶媒(C)の合計重量に対して、耐電圧向上効果の観点から好ましくは0.005重量%以上であり、電導度低下抑制の観点から好ましくは20重量%以下である。より好ましくは0.05〜10重量%、更に好ましくは0.1〜5重量%である。
電解質(B)の含有量は、電導度と溶媒(C)への溶解度の観点から、電解質(B)及び溶媒(C)の合計重量に基づいて、好ましくは2〜70重量%、更に好ましくは4〜40重量%である。
溶媒(C)の含有量は、電導度の観点から、電解質(B)及び溶媒(C)の合計重量に基づいて、好ましくは30〜98重量%、更に好ましくは60〜96重量%である。
本発明の電解液には、適当量の水を含有することが好ましい。水を含有すると、コンデンサ部材{陽極箔である酸化アルミニウム箔など}の化成性{陽極箔表面に欠損部分があれば、酸化被膜を形成させてこれを修復する性質}を向上させることができる。一方、水の含有量が多いと、高温使用時にコンデンサ内部の圧力が上昇し、コンデンサが膨れたり、破裂したりしてしまう。
したがって、水を含有する場合、水の含有量は、電解液の重量に基づいて、好ましくは0〜10重量%、更に好ましくは0.05〜5重量%、特に好ましくは0.1〜4重量%である。なお、水分は、JIS K0113:2005の「8.カールフィッシャー滴定方法、8.1容量滴定方法」に準拠して測定される。
本発明の電解液には必要により、上記他の成分(H)を添加することができる。成分(H)はアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)に添加せずに電解液に添加する方が好ましい。その添加量は、比電導度と電解液への溶解度の観点から、電解液の重量に基づいて、好ましくは5重量%以下、更に好ましくは2重量%以下がよい。
本発明の電解液は、アルミニウム電解コンデンサ用として使用される。アルミニウム電解コンデンサとしては、特に限定されず、例えば、捲き取り形のアルミニウム電解コンデンサであって、陽極表面に酸化アルミニウムが形成された陽極(酸化アルミニウム箔)と陰極アルミニウム箔との間に、セパレーターを介在させて捲回することにより構成されたコンデンサが挙げられる。本発明の電解液を駆動用電解液としてセパレーターに含浸し、陽陰極と共に、有底筒状のアルミニウムケースに収納した後、アルミニウムケースの開口部を封口ゴムで密閉してアルミニウム電解コンデンサを構成することができる。
以下、実施例及び比較例により本発明を更に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下、部は重量部を示す。尚、実施例1及び実施例6は参考例である。
<製造例1>
1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)の合成:
ジメチルカーボネート18.02部をメタノール6.33部に溶解させた溶液に2,4−ジメチルイミダゾリン9.81部を滴下して、120℃で15時間攪拌することで、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・メチルカーボネート塩のメタノール溶液を生成した。フタル酸16.61部を1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウムメチルカーボネート塩のメタノール溶液に加えることで塩交換反応を行い、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩のメタノール溶液を得た。上記溶液を1.0kPa以下の減圧度で110℃で加熱蒸留し、溶媒のメタノールを除去することで、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)28.33部(収率100%)を得た。
<製造例2>
1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)の合成:
リン酸トリエチル162部、ジエチルアミン130部を混合した後、125℃まで温度上昇させた。このまま30時間攪拌下反応させた。冷却し、反応液のP−NMRを測定したところリン酸トリエチルのピークが消失し、リン酸ジエチルのピークのみが現れた。この反応液に、製造例1における場合と同等の操作で生成した1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・メチルカーボネート塩のメタノール溶液260部を加えることで塩交換を行い、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩のメタノール溶液を得た。上記溶液を1.0kPa以下の減圧度で110℃で加熱蒸留し、溶媒のメタノールを除去することで、1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)251部(収率100%)を得た。
[添加剤(A)の調製]
<実施例1>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−1):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、2−プロピルペンチルアルコール[Aldrich社製]130部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、PO697部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。POが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、2−プロピルペンチルアルコールPO12モル付加物(P1−1)を得た。水酸基価は、67.8KOHmg/gであった。(P1−1)をアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−1)とした。
<実施例2>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−2):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1−メチルドデシルアルコール[Alfa Aesar社製]200部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO352部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、2−トリデシルアルコールEO8モル付加物(P2−1)を得た。水酸基価は、101.6KOHmg/gであった。(P2−1)をアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−2)とした。
<実施例3>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−3):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1−ヘプチルオクチルアルコール[Aldrich社製]228部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO308部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、7−ペンタデシルアルコールEO7モル付加物(P2−2)を得た。水酸基価は、104.6KOHmg/gであった。(P2−2)をアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−3)とした。
<実施例4>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−4):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1,1−ジメチルヘプチルアルコール[Aldrich社製]144部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO441部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、1,1−ジメチルヘプチルアルコールEO10モル付加物(P3−1)を得た。水酸基価は、96.0KOHmg/gであった。(P3−1)をアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−4)とした。
<実施例5>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−5):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1,1−ジプロピルブチルアルコール[Alfa Aesar社製]158部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO396部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、1,1−ジプロピルブチルアルコールEO9モル付加物(P3−2)を得た。水酸基価は、101.2KOHmg/gであった。(P3−2)をアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A−5)とした。
<比較例1>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−1):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1−オクタデカノール[Aldrich社製]271部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO1320部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、1−オクタデカノールEO30モル付加物を得た。水酸基価は、35.3KOHmg/gであった。これをアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−1)とした。
<比較例2>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−2):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1−トリデカノール[Aldrich社製]200部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、EO352部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。EOが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、1−オクタノールEO8モル付加物を得た。水酸基価は、101.6KOHmg/gであった。これをアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−2)とした。
<比較例3>
アルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−3):
攪拌および温度調節機能の付いたステンレス製オートクレーブに、1−オクタノール[Aldrich社製]242部、水酸化カリウム2部を投入し、混合系内を窒素で置換した後、減圧下、90℃にて1時間脱水を行った。次いで、PO696部を攪拌しながら105℃で5時間かけて逐次導入した。POが完全に反応し終わった後、同温度で圧平衡になるまで3時間熟成した後、酢酸2部で中和し、1−ヘキサデカノールPO12モル付加物を得た。水酸基価は、67.9KOHmg/gであった。これをアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A’−3)とした。

添加剤(A−1)〜(A−5)及び(A’−1)〜(A’−3)を表1にまとめた。
Figure 0006316567
[電解液の調製]
<実施例6>
ビーカーで、アゼライン酸94部とエチレングリコール444部を混合し、撹拌しながらアンモニア17部を吹き込み、20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液を得た。上記で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例1で得た添加剤(A−1)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例7>
実施例6で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例2で得た添加剤(A−2)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例8>
実施例6で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例3で得た添加剤(A−3)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例9>
実施例6で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例3で得た添加剤(A−3)0.1部、エチレングリコール49.9部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例10>
実施例6で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例4で得た添加剤(A−4)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例11>
実施例6で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例5で得た添加剤(A−5)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例12>
ビーカーで、1,6−デカンジカルボン酸115部とエチレングリコール863部を混合し、撹拌しながらトリエチルアミン101部を添加し、20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液を得た。上記で得た20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例3で得た添加剤(A−3)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例13>
実施例12と同様の方法で得た20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例5で得た添加剤(A−5)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例14>
3Lビーカーで、安息香酸122部とエチレングリコール559部を混合し、撹拌しながらアンモニア17部を吹き込み、30%安息香酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液を得た。上記で得た30%安息香酸酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例3で得た添加剤(A−3)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例15>
実施例14の方法で得た30%安息香酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液50部に対し、実施例5で得た添加剤(A−5)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例16>
製造例1で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)35部に実施例3で得た添加剤(A−3)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例17>
製造例1で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)35部に実施例5で得た添加剤(A−5)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例18>
製造例2で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)35部に実施例3で得た添加剤(A−3)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表2に記載の組成の電解液を得た。
<実施例19>
製造例2で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)35部に実施例5で得た添加剤(A−5)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表2に記載の組成の電解液を得た。
<比較例4>
実施例6と同様に得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、エチレングリコール50部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例5>
実施例6と同様の方法で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、ポリエチレングリコール#1,000(平均分子量:1000)[ナカライテスク社製]1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例6>
実施例6と同様の方法で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、ポリエチレングリコール#1,000、0.1部、エチレングリコール49.9部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例7>
実施例6と同様の方法で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、比較例1で得た添加剤(A’−1)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例8>
実施例6と同様の方法で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、比較例2で得た添加剤(A’−2)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。

<比較例9>
実施例6と同様の方法で得た20%アゼライン酸・二アンモニウム(B−3)/エチレングリコール溶液50部に対し、比較例3で得た添加剤(A’−3)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例10>
実施例12と同様の方法で得た20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液50部に対し、エチレングリコール50部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。

<比較例11>
実施例12と同様の方法で得た20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液50部に対し、ポリエチレングリコール#1,000、1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例12>
実施例12と同様の方法で得た20%1,6−デカンジカルボン酸・二トリエチルアンモニウム(B−4)/エチレングリコール溶液50部に対し、比較例2で得た添加剤(A’−2)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例13>
実施例14と同様の方法で得た30%安息香酸酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液50部に対し、エチレングリコール50部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例14>
実施例14と同様の方法で得た30%安息香酸酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液50部に対し、ポリエチレングリコール#1,000、1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。

<比較例15>
実施例14と同様の方法で得た30%安息香酸酸・アンモニウム(B−5)/エチレングリコール溶液50部に対し、比較例2で得た添加剤(A’−2)1部、エチレングリコール49部を添加したのち、撹拌し表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例16>
製造例1で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)35部にγ−ブチロラクトン65部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例17>
製造例1で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)35部に、ポリエチレングリコール#1,000、1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例18>
製造例1で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・フタル酸塩(B−1)35部に、比較例2で得た添加剤(A’−2)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例19>
製造例2で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)35部にγ−ブチロラクトン65部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例20>
製造例2で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)35部にポリエチレングリコール#1,000、1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
<比較例21>
製造例2で得た1,2,3,4−テトラメチルイミダゾリニウム・ジエチルリン酸塩(B−2)35部に比較例2で得た添加剤(A’−2)1部、γ−ブチロラクトン64部を添加し、撹拌することで表3に記載の組成の電解液を得た。
実施例6〜19の具体的な組成については表2に、比較例4〜21の具体的な組成については表3に示した。
Figure 0006316567
Figure 0006316567
[評価]
上記の実施例6〜19及び比較例4〜21で得られた電解液について、以下の測定方法で電導度、耐電圧を測定し、その結果を表4及び表5に示した。
電導度:東亜ディーケーケー株式会社製電導度計CM−40Sを用い、30℃での電導度を測定した。
耐電圧:10cm2の高圧用化成エッチングアルミ箔を用い、定電流法(2mA)を負荷
したときの電解液の放電電圧を測定した。これを耐電圧とする。
耐電圧差:同じ電解質を含有する電解液において、添加剤を添加した電解液の耐電圧と添加剤を添加しない電解液の耐電圧との差を表す。
電導度差:同じ電解質を含有する電解液において、添加剤を添加した電解液の電導度と添加剤を添加しない電解液の電導度との差を表す。
Figure 0006316567
Figure 0006316567
実施例12,13,比較例11,12の耐電圧差、電導度差は、比較例10との差である。
実施例14,15,比較例14,15の耐電圧差、電導度差は、比較例13との差である。
実施例16,17,比較例17,18の耐電圧差、電導度差は、比較例16との差である。
実施例18,19,比較例20,21の耐電圧差、電導度差は、比較例19との差である。
表4において、実施例6〜8、10、11は比較例5、7〜9と比較して、電導度差は同じ値を維持しつつ耐電圧差が大きいことが判った。また、実施例9は比較例6と比較して、同様な結果であった。
表5において、実施例12、13は比較例11,12と比較して、電導度差は同じ値を維持しつつ耐電圧差が大きいことが判った。また、実施例14、15と比較例14,15の比較結果、実施例16、17と比較例17,18の比較結果、実施例18、19と比較例20,21の比較結果も同様であった。
本発明のアルミニウム電解コンデンサ用添加剤を用いれば、電解液の電導度の低下を極力抑え、耐電圧を高くすることができ、アルミニウム電解コンデンサの小型化、低インピーダンス化、高信頼性化が可能となり、工業的価値は大きい。

Claims (5)

  1. 一般式(1)で表される、分岐アルコール(F)のアルキレンオキシド付加物(P)を含有するアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)であって、分岐アルコール(F)が第2級アルコールおよび/または第3級アルコールであるアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)
    −O−(RO)−H (1)
    [式中、Rは、炭素数6〜20の分岐アルキル基、Rは炭素数2〜4のアルキレン基
    、mはROの平均付加モル数を表し、3〜15の数である。]
  2. 一般式(1)において、Rがエチレン基である請求項1に記載の添加剤(A)。
  3. 請求項1又は2に記載のアルミニウム電解コンデンサ用電解液添加剤(A)、電解質(B)および溶媒(C)を含有するアルミニウム電解コンデンサ用電解液(S)。
  4. 添加剤(A)、電解質(B)および溶媒(C)の合計重量に対して(A)の含有量が0.005〜20重量%である請求項に記載の電解液(S)。
  5. 請求項またはに記載のアルミニウム電解コンデンサ用電解液(S)を用いてなるアルミニウム電解コンデンサ。
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