JP7308405B2 - 電解コンデンサ及び電解コンデンサの製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る電解コンデンサ1はコンデンサ素子10を有している。コンデンサ素子10は陽極体21と陰極体22をセパレータ23とを含んでいる。陽極体21の表面には誘電体層210が形成されている。セパレータ23は、陽極体21の誘電体層210と陰極体22との間に設けられている。コンデンサ素子10には電解液26が含浸されている。また誘電体層210上(誘電体層210の表面)には導電性高分子とポリアクリル酸系化合物とが存在している。
2-1.電解コンデンサ
以下、本実施形態に係る電解コンデンサ1の構成を詳細に説明する。
有底ケース11は、コンデンサ素子10を収容可能なように構成されている。具体的には、有底ケース11は、筒状の部材であって、底部が開口しておらず、頂部が開口している。このため、有底ケース11の開口から有底ケース11の内部空間にコンデンサ素子10を入れることができる。有底ケース11は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮及びこれらの合金からなる群から選択される一種以上の材料製である。
有底ケース11の開口は、封止部材12で塞がれている。すなわち、有底ケース11の内部空間は封止部材12で密閉される。封止部材12は、例えば、EPT(ethylene-propylene terpolymer、エチレンプロピレンゴム)、IIR(isobutylene‐isoprene rubber、ブチルゴム)等のゴム材料、又はエポキシ樹脂等の樹脂材料製である。封止部材12は、厚み方向で貫通する一対の貫通孔を備えている。封止部材12は、有底ケース11の開口の内周に沿った外形状を有する。封止部材12は、例えば、円盤に形成されている。
一対のリード線14A及びリード線14Bは、封止部材12の貫通孔から引き出され、かつ座板13を貫通している。一対のリードタブ15A及びリードタブ15Bは、封止部材12に埋め込まれている。リードタブ15Aは、リード線14Aとコンデンサ素子10の電極(陽極体21)とを電気的に接続している。またリードタブ15Bは、リード線14Bとコンデンサ素子10の電極(陰極体22)とを電気的に接続している。
以下、有底ケース11内に収容されるコンデンサ素子10について、詳細に説明する。
図3に示すように、陽極体21は、金属箔と、金属箔の表面に形成された誘電体層210と、を含む。すなわちコンデンサ素子10は、表面に誘電体層210が形成された陽極体21を含む。
陰極体22としては、陽極体21の製造で使用される金属箔と同様の金属箔を用いることができる。陰極体22は、その表面が粗面化されていてもよい。陰極体22は、その表面に、例えばチタン又はカーボンを含む層が形成されていてもよい。
導電性高分子は電解コンデンサ1において固体電解質として作用する。導電性高分子の微粒子250は、誘電体層210の表面の少なくとも一部に付着され、且つ、セパレータ23及び陰極体22の表面の少なくとも一部に付着されている。導電性高分子の微粒子250はコンデンサ素子10に含浸される。この場合、溶媒と、この溶媒に分散された導電性高分子の微粒子250を含む高分子分散体をコンデンサ素子10に含浸し、コンデンサ素子10から溶媒を揮発させる。
コンデンサ素子10には電解液26が含浸されている。具体的には、介在部25の複数の空隙内に電解液26が入り込んでいる。このため、電解液26は、誘電体層210及び導電性高分子の微粒子250及びポリアクリル酸系化合物と接触している。
本実施形態において、ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸系ユニット[-CH2CR1(COOR2)-]を含む重合体、及びこの重合体の誘導体を含む。ここで、R1とR2は同じでも異なっていてもよく、例えば、水素原子、またはメチル基、エチル基などの炭素数1~4のアルキル基、またはヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピルなどの炭素数1~4のヒドロキシアルキル基、またはフェニル基、ベンジル基などの1個以上の置換基を有していてもよいアリール基、ナトリウム原子などを例示することができる。
以下、本実施形態の電解コンデンサ1の製造方法を説明する。本実施形態の電解コンデンサ1の製造方法は、第1工程、第2工程、第3工程及び第4工程を含む。
第1工程では、表面に誘電体層210が形成された陽極体21と、陰極体22と、陽極体21及び陰極体22との間に設けられたセパレータ23と、を含むコンデンサ素子10を作製する。第1工程では、陽極体21の作製と、陰極体22の作製と、コンデンサ素子10の作製と、を行うことが好ましい。
陽極体21の原料である金属箔を準備する。具体的には、ロール状の大判の金属板を裁断することにより、陽極体21を作製することができる。
陰極体22は、陽極体21と同様の方法により、金属箔から作製することができる。具体的には、ロール状の大判の金属板を裁断することにより、陰極体22を作製することができる。
上述の陽極体21と、陰極体22と、セパレータ23とを用いて、図2に示すような巻回体(コンデンサ素子10)を作製する。具体的には、陽極体21とセパレータ23と陰極体22とをこの順に重ねて同心円状に巻き取ることにより、巻回体を作製する。巻回体の最外層に位置する陰極体22の端部は、巻止めテープ24で固定される。これにより、図2に示すコンデンサ素子10を作製することができる。さらに、陽極体21及び陰極体22から取り出されたリード線14A、14Bを、封止部材12の貫通孔から引き出して、封止部材12を配置する。
第2工程では、高分子分散体をコンデンサ素子10に含浸する。この高分子分散体は、溶媒と、溶媒中に分散した導電性高分子の微粒子250と、ポリアクリル酸系化合物とが含まれる。溶媒は特に限定されず、水でもよく、非水溶媒でもよい。なお、非水溶媒とは、水および水を含む液体を除く液体の総称であり、有機溶媒やイオン性液体が含まれる。なかでも、溶媒は、極性溶媒であることが好ましい。極性溶媒は、プロトン性溶媒であっても、非プロトン性溶媒であってもよい。
第3工程では、高分子分散体が含浸したコンデンサ素子10に、電解液26を含浸する。すなわち、本実施形態の電解コンデンサ1の製造方法は、第2工程でポリアクリル酸系化合物と導電性高分子との混在した材料(層)を誘電体層210の表面に配置した後に、コンデンサ素子10に電解液26を含浸する第3工程を有する。これにより、微粒子250で構成される微細な空隙251内に電解液26を含浸することができ、介在部25が形成される。電解液26は、誘電体層210及び導電性高分子とポリアクリル酸系化合物に接触した状態となる。
第4工程では、第3工程の後に、コンデンサ素子10を有底ケース11に封止して電解コンデンサ1を完成させる。すなわち、有底ケース11の開口側にリード線14A、14Bが位置するようにコンデンサ素子10を有底ケース11に収納し、リード線14A、14Bが貫通するように形成された封止部材12をコンデンサ素子10の上方に配置して、コンデンサ素子10を有底ケース11内に封止する。そして、有底ケース11の開口端近傍に絞り加工を施し、更に開口端をカール加工し、カール部分に座板13を配置する。
電解コンデンサ1の用途は、特に限定されない。電解コンデンサ1は、例えば、自動車のECU(エンジンコントロールユニット)の基板、又はスイッチング電源等に使用することができる。この自動車としては、主として、電気自動車又はハイブリッド車等を想定するが、ガソリンエンジン車又はディーゼルエンジン車であってもよい。また電解コンデンサ1は、例えば、二輪車(電動バイクを含む)、航空機、船舶、ドローン等に用いられてもよい。また電解コンデンサ1は、例えば、サーバ装置、コンピュータ装置及び家庭用ゲーム機等のCPU(Central Processing Unit)の電源装置に用いられてもよい。その他にも、電解コンデンサ1は、例えば、通信機器及び産業機器等のFPGA(Field-Programmable Gate Array)の電源装置、並びにグラフィックボード等のGPU(Graphics Processing Unit)の電源装置等に用いられてもよい。電解コンデンサ1の用途は、これらに限定されず、多岐の分野に使用することができる。
実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
以下、実施例1~10、比較例1、2の電解コンデンサの製造方法を具体的に説明する。
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45V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、縦×横が9mm×220mmとなるように裁断して、陽極体を準備した。
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、縦×横が9mm×230mmとなるように裁断して、陰極体を準備した。
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。
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、高分子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(液状成分)に混合して、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、PSSがドープされた約5質量%のポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)を含む高分子分散体を得た。
減圧雰囲気(40kPa)中で、所定容器に収容された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被覆するように導電性高分子とポリアクリル酸系化合物を誘電体層上に付着した。
電解液の溶媒には、エチレングリコールと、スルホランとを用いた。溶質の酸成分には、フタル酸を用いた。溶質の塩基成分には、トリエチルアミンを用いた。上記の溶媒および溶質を用いて、電解液を調製した。
減圧雰囲気(40kPa)中で、電解液にコンデンサ素子を5分間浸漬し、コンデンサ素子に電解液を含浸させた。このようにして、導電性高分子とポリアクリル酸系化合物と電解液とを含む介在部を形成した。この介在部は、電解液の溶媒100重量部に対してポリアクリル酸系化合物を0.5重量部含有する。また導電性高分子100重量部に対してポリアクリル酸系化合物を25重量部含有する。
電解液を含浸させたコンデンサ素子を封止して、電解コンデンサを完成させた。具体的には、有底ケースの開口側にリード線が位置するようにコンデンサ素子を有底ケースに収納し、リード線が貫通するように形成された封止部材(ゴム成分としてブチルゴムを含む弾性材料)をコンデンサ素子の上方に配置して、コンデンサ素子を有底ケース内に封止した。そして、有底ケースの開口端近傍に絞り加工を施し、更に開口端をカール加工し、カール部分に座板を配置することによって、図1に示すような電解コンデンサを完成させた。その後、32Vの電圧を印加しながら、100℃で2時間エージング処理を行った。
(耐電圧)
耐電圧の測定は、電解コンデンサに印加する電圧を0.1V/sの速度で上昇させながら行い、電解コンデンサに定格電圧×静電容量×0.1(0.1CV)で求められる電流値を超えたときの電圧を、耐電圧として測定した。
20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、電解コンデンサの周波数100kHzにおけるESR値(初期ESR値)(mΩ)を測定した。
第1の態様に係る電解コンデンサ(1)は、表面に誘電体層(210)が形成された陽極体(21)と、陰極体(22)と、陽極体(21)及び陰極体(22)の間に設けられたセパレータ(23)と、を含むコンデンサ素子(10)を有する。コンデンサ素子(10)には電解液(26)が含浸される。誘電体層(210)上には導電性高分子と、ポリアクリル酸系化合物とが存在している。
10 コンデンサ素子
21 陽極体
210 誘電体層
22 陰極体
23 セパレータ
26 電解液
Claims (17)
- 表面に誘電体層が形成された陽極体と、陰極体と、前記陽極体及び陰極体の間に設けられたセパレータと、を含むコンデンサ素子を有し、
前記コンデンサ素子には、電解液が含浸され、
前記誘電体層上には、導電性高分子と、ポリアクリル酸系化合物とが存在している電解コンデンサであって、
前記電解液は、前記誘電体層、前記導電性高分子および前記ポリアクリル酸系化合物と接触しており、
前記導電性高分子および前記ポリアクリル酸系化合物は、前記誘電体層に付着しており、
前記導電性高分子は、ドーパントとして、ポリアニオンを含み、
前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットとメタクリル酸ユニットとを含む、
電解コンデンサ。 - 前記電解液は、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールまたはプロピレングリコールから選ばれるいずれか1つを含む、
請求項1に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で0.3以上5.0以下である、
請求項1に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で0.3以上5.0以下である、
請求項2に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で1.0より大きい、
請求項3に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で1.0より大きい、
請求項4に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物の重量平均分子量は、5000以上100000以下である、
請求項1~6のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 該電解コンデンサに含まれる前記ポリアクリル酸系化合物の量は、該電解コンデンサに含まれる前記電解液の溶媒100重量部に対して、0.05重量部以上5重量部以下である、
請求項1~7のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 該電解コンデンサに含まれる前記ポリアクリル酸系化合物の量は、該電解コンデンサに含まれる前記導電性高分子100重量部に対して、2重量部以上85重量部以下である、
請求項1~8のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットとメタクリル酸ユニットとを含む共重合体である、
請求項1~9のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットを含む重合体と、メタクリル酸ユニットを含む重合体との混合体である、
請求項1~9のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 表面に誘電体層が形成された陽極体と、陰極体と、前記陽極体及び陰極体の間に設けられたセパレータと、を含むコンデンサ素子を形成する工程と、
導電性高分子とポリアクリル酸系化合物とを含む高分子分散体を前記コンデンサ素子に含浸し、前記導電性高分子と前記ポリアクリル酸系化合物とを前記誘電体層上に配置する工程と、
前記導電性高分子と前記ポリアクリル酸系化合物とを前記誘電体層上に配置した前記コンデンサ素子に、電解液を含浸する工程と、を備え、
前記導電性高分子は、ドーパントとして、ポリアニオンを含み、
前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットとメタクリル酸ユニットとを含む、
電解コンデンサの製造方法。 - 前記電解液は、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールまたはプロピレングリコールから選ばれるいずれか1つを含む、
請求項12に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で0.3以上5.0以下である、
請求項12または13に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記アクリル酸ユニットの量は、前記ポリアクリル酸系化合物に含まれる前記メタクリル酸ユニットの量に対して、モル比で1.0より大きい、
請求項14に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットとメタクリル酸ユニットとを含む共重合体である、
請求項12~15のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記ポリアクリル酸系化合物は、アクリル酸ユニットを含む重合体と、メタクリル酸ユニットを含む重合体との混合体である、
請求項12~15のいずれか1項に記載の電解コンデンサの製造方法。
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