JP7486211B2 - 電解コンデンサおよびその製造方法、ならびに電解コンデンサモジュール - Google Patents
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Description
前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を備える陽極体と、前記誘電体層の一部を覆う導電性高分子と、を含み、
前記液状成分は、糖アルコール成分と、ポリアルキレングリコール成分と、を含み、
前記糖アルコール成分は、4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種を含む、電解コンデンサに関する。
[技術2]前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量は、5質量%以上70質量%以下である、技術1に記載の電解コンデンサ。
[技術3]前記液状成分中の前記ポリアルキレングリコール成分の含有量は、前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量より多い、技術1または2に記載の電解コンデンサ。
[技術4]前記糖アルコール成分は、マンニトール、ソルビトール、エリスリトール、ペンタエリスリトール、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つを含む、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ポリアルキレングリコール成分の含有量は、30質量%以上95質量%以下である、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]
前記ポリアルキレングリコール成分の重量平均分子量は、200以上2000以下である、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]前記液状成分は、0.5質量%以上の濃度で溶質を含む、技術1~6のいずれか1つに記載の電解コンデンサ。
[技術8]前記液状成分の20℃における粘度は、200mPa・s以上である、技術1~7のいずれか1つに記載の電解コンデンサ。
[技術9]
開口部を備え、かつ前記コンデンサ素子および前記液状成分を収容する容器と、
前記開口部を封口する封口体と、をさらに備え、
前記封口体は、弾性高分子を含み、
前記封口体に占める前記弾性高分子の割合は、10質量%以上である、技術1~8のいずれか1つに記載の電解コンデンサ。
[技術10]前記弾性高分子は、フェノール樹脂および過酸化物からなる群より選択された少なくとも一種の架橋剤で架橋されている、技術9に記載の電解コンデンサ。
[技術11]120℃の温度で2000時間以上の使用を保証する、技術1~10のいずれか1つに記載の電解コンデンサ。
[技術13]
許容電流が20A以上である、技術12に記載の電解コンデンサモジュール。
糖アルコール成分と、ポリアルキレングリコール成分と、を含む液状成分を調製する工程と、
前記導電性高分子を前記誘電体層に含浸させる導電性高分子含浸工程と、
前記導電性高分子含浸工程の後、前記液状成分を、前記コンデンサ素子に含浸させる液状成分含浸工程と、を含み、
前記糖アルコール成分は、4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種を含む、電解コンデンサの製造方法に関する。
[技術15]前記調製工程は、前記糖アルコール成分を前記ポリアルキレングリコール成分に溶解させる工程を含む、技術14に記載の電解コンデンサの製造方法。
[技術16]前記液状成分含浸工程に先立って、前記液状成分の粘度を200mPa・s未満にする工程を含む、技術14または15に記載の電解コンデンサの製造方法。
[電解コンデンサ]
電解コンデンサは、コンデンサ素子と液状成分とを含む。電解コンデンサは、通常、コンデンサ素子および液状成分を収容する容器と、容器を封口する封口体と、を備える。
(液状成分)
(糖アルコール成分)
糖アルコール成分は、4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種(以下、第1糖アルコール成分と称する場合がある。)を含む。糖アルコール成分は、第1糖アルコール成分以外の糖アルコール成分(第2糖アルコール成分)を含んでもよい。糖アルコール成分による効果を確保し易い観点からは、糖アルコール成分に占める第1糖アルコール成分の比率は、50質量%以上が好ましく、75質量%以上または90質量%以上であってもよい。糖アルコール成分を第1糖アルコール成分のみで構成してもよい。
ポリアルキレングリコール成分としては、アルキレンオキサイドの繰り返し構造を有するものであればよい。アルキレンオキサイドとしては、例えば、C2-4アルキレンオキサイドが挙げられ、C2-3アルキレンオキサイドであってもよい。アルキレンオキサイドの具体例としては、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、トリメチレンオキサイド、ブチレンオキサイドなどが挙げられる。ポリアルキレングリコール成分は、一種のアルキレンオキサイド単位を含むものであってもよく、二種以上のアルキレンオキサイド単位を含むものであってもよい。二種以上のアルキレンオキサイド単位を含むポリアルキレングリコール成分は、例えば、エチレンオキサイド単位とC3-4アルキレンオキサイド単位とを含むものであってもよい。二種以上のアルキレンオキサイド単位を含むポリアルキレングリコール成分を用いると、液状成分の粘度を低減する効果が高まる。
液状成分は、糖アルコール成分およびポリアルキレングリコール成分以外の非水溶媒を含んでもよい。非水溶媒としては、スルホン化合物、ラクトン化合物、カーボネート化合物、糖アルコール成分およびポリアルキレングリコール成分以外の多価アルコールなどが挙げられる。
液状成分は、溶質を含んでいてもよい。溶質としては、酸成分、塩基成分などが挙げられる。液状成分は、少なくとも酸成分を含むことが好ましい。導電性高分子成分がドーパントを含む場合、電解液中の酸成分は、ドーパントの脱ドープ現象を抑制し、各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電解液の酸成分が再ドープされるため、ESRが低く維持され易くなる。電解液は、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。
液状成分中の水の含有量は、1.5質量%未満または1質量%以下であってもよく、0.5質量%未満であることが好ましく、0.1質量%以下または0.01質量%以下であってもよい。糖アルコール成分は一般に水に対する溶解性が高いが、ポリアルキレングリコール成分と組み合わせることで、液状成分中の水の含有量が少なくとも、加熱により糖アルコール成分をポリアルキレングリコール成分に容易に溶解させることができる。そして、糖アルコール成分は、結晶性が高いにも拘わらず、一旦、ポリアルキレングリコール成分に溶解すると析出が抑制される。なお、水の含有量は、初期状態の電解コンデンサの液状成分中の含有量である。
(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導電性高分子と、を少なくとも含む。
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などを含むことができる。これらの材料は一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。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、エッチングなどにより弁作用金属を含む基材(箔状または板状の基材など)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。
誘電体層は、陽極体の表面の弁作用金属を、化成処理など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。
導電性高分子は、誘電体層の一部を覆うように付着して導電性高分子層を構成している。導電性高分子は、電解コンデンサにおける陰極体の少なくとも一部を構成する。導電層高分子層は、導電性高分子層は、必要に応じて、さらに、ドーパントおよび添加剤の少なくとも一方を含んでもよい。
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、アラミドなどの芳香族ポリアミド)の繊維を含む不織布などを用いてもよい。
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。コンデンサ素子の構成は、電解コンデンサのタイプに応じて、選択すればよい。
(容器)
容器の材質としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮などの金属あるいはこれらの合金を用いることができる。容器の形状は、コンデンサ素子および液状成分を収容可能である限り特に制限されない。
(封口体)
封口体は、容器の開口部を封止するものであれば特に制限されない。封口体は、通常、弾性高分子を含む。封口体は、さらに、弾性高分子を架橋する架橋剤、添加剤などを含んでもよい。
[電解コンデンサの製造方法]
電解コンデンサは、上記の液状成分を調製する工程と、導電性高分子を誘電体層に含浸させる導電性高分子含浸工程と、導電性高分子含浸工程の後、液状成分を、コンデンサ素子に含浸させる液状成分含浸工程と、を少なくとも含む製造方法により製造される。電解コンデンサの製造方法は、液状成分含浸工程に先立って、液状成分の粘度を調節する工程を含んでもよい。電解コンデンサの製造方法は、さらにコンデンサ素子を準備する工程およびコンデンサ素子を封止する工程を含み得る。
(1)コンデンサ素子10を準備する工程
(i)誘電体層を有する陽極体11および陰極体12を準備する工程
陽極体11および陰極体12の原料には、弁作用金属で形成された金属箔が用いられる。陽極体11の場合、エッチング処理等により、金属箔の表面が粗面化され、金属箔の表面に複数の凹凸が形成される。次に、化成処理等により、粗面化された金属箔の表面に誘電体層が形成される。必要に応じて、陰極体12の表面を粗面化してもよい。
陽極体11と陰極体12とをセパレータ13を介して巻回し、巻回体を作製する。巻回体の最外層に位置する陰極体12の外表面に巻止めテープ14を配置し、陰極体12の端部を固定する。必要に応じて、巻回体に対し、更に化成処理が行われる。
導電性高分子を誘電体層に含浸させること(導電性高分子含浸工程)によりコンデンサ素子10を形成することができる。例えば液状の導電性高分子分散体を誘電体層に含浸させ、誘電体層の少なくとも一部を覆う導電性高分子の膜を形成する。これにより、陽極体11と陰極体12との間に導電性高分子が配置されたコンデンサ素子10が得られる。高分子分散体を誘電体層の表面に付与する工程は2回以上繰り返してもよい。
(2)液状成分を調製する工程
液状成分は、液状成分の構成成分を混合することにより調製し得る。糖アルコール成分は、非水溶媒に対する溶解性が低いが、ポリアルキレングリコール成分と組み合わせることで糖アルコール成分が均一に溶解した液状成分を調製することができる。なお、本工程は、液状成分含浸工程より前に行えばよく、コンデンサ素子の準備の前または後に行ってもよく、コンデンサ素子を準備する間に行ってもよい。
(3)液状成分の粘度を調節する工程
含浸工程に先立って、液状成分の粘度を調節してもよい。液状成分の粘度は、例えば、液状成分の温度を調節することにより調節される。より具体的には、液状成分を加熱することにより粘度を調節してもよい。なお、本工程は、液状成分を調製する工程において行ってもよい。より具体的には、加熱下で液状成分を調製し、粘度が低くなった状態で、コンデンサ素子10に含侵させてもよい。
(4)液状成分含浸工程
本工程では、コンデンサ素子10に液状成分を含浸させればよい。これにより、導電性高分子と液状成分とを具備する電解コンデンサが得られる。液状成分は、例えば、容器内にコンデンサ素子10および液状成分を収容することによりコンデンサ素子10に含浸させてもよく、コンデンサ素子10を液状成分に浸漬することにより含浸させもよく、コンデンサ素子10に液状成分を滴下することにより含浸させてもよい。
(5)コンデンサ素子を封止する工程
コンデンサ素子10は、リード線104A、104Bが有底ケース101の開口側に位置するように有底ケース101に収納される。有底ケース101には、液状成分も収容される。次に、各リード線が貫通する封止体102で有底ケース101の開口を塞ぎ、開口端を封止体102にかしめてカール加工し、カール部分に座板103を配置すれば、図1に示すような電解コンデンサが完成する。
[実施例]
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《電解コンデンサE1~E16およびC1~C4の作製》
定格電圧25V、定格静電容量330μFの巻回型の電解コンデンサ(直径10mm×L(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180V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。
(高分子分散体の調製)
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、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導電性高分子層からなる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に示す糖アルコール成分とポリアルキレングリコール成分とを混合し、混合物を、撹拌下で95℃に加熱することにより糖アルコール成分を溶解させた。得られる混合溶媒に、溶質としてフタル酸トリエチルアミンを15質量%濃度となるように加え、混合した。このようにして液状成分を調製した。
(電解コンデンサの組み立て)
液状成分を、60℃以上まで加熱して、粘度を200mPa・s未満に調整した。粘度を調整した液状成分200mgを、ケース内にコンデンサ素子とともに収容し、減圧雰囲気(40kPa)中で、5分間かけて、コンデンサ素子に液状成分を含浸させた。封口体を用いてケースの開口部を封止して、図1に示すような電解コンデンサを完成させた。その後、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。液状成分の粘度は、CBC社製の振動式粘度計VM-100Aを用いて測定した。
[評価1]
(ESRの測定および液状成分の残存量)
LCRメータを用いて、得られた電解コンデンサの周波数100kHz/ΩにおけるESR(初期ESR)を測定した。また、長期信頼性を評価するために、定格電圧を印加しながら145℃で2000時間保持し、ESRの増加率(ΔESR)を確認した。ΔESRは、初期値(Z0)に対する145℃保持後の電解コンデンサのESR(Z)の比率(Z/Z0×100%)で示した。ESR(Z)は、145℃保持後の電解コンデンサを用いて初期ESRの場合と同様にして測定した。
101:有底ケース
102:封止体
103:座板
104A、104B:リード線
105A、105B:リードタブ
10:コンデンサ素子
11:陽極体
12:陰極体
13:セパレータ
14:巻止めテープ
Claims (14)
- コンデンサ素子と、液状成分とを含み、
前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を備える陽極体と、前記誘電体層の一部を覆う導電性高分子と、を含み、
前記液状成分は、糖アルコール成分と、ポリアルキレングリコール成分と、を含み、
前記糖アルコール成分は、4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種を含み、
前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量は、5質量%以上であり、
前記液状成分中の前記ポリアルキレングリコール成分の含有量は、前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量より多く、
前記液状成分の20℃における粘度は、200mPa・s以上である、電解コンデンサ。 - コンデンサ素子と、液状成分とを含み、
前記コンデンサ素子は、表面に誘電体層を備える陽極体と、前記誘電体層の一部を覆う導電性高分子と、を含み、
前記液状成分は、糖アルコール成分と、ポリアルキレングリコール成分と、を含み、
前記糖アルコール成分は、4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種を含み、
前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量は、5質量%以上70質量%以下であり、
前記液状成分の20℃における粘度は、200mPa・s以上である、電解コンデンサ。 - 前記糖アルコール成分は、マンニトール、ソルビトール、エリスリトール、ペンタエリスリトール、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つを含む、請求項1または2に記載の電解コンデンサ。
- 前記液状成分中の前記ポリアルキレングリコール成分の含有量は、30質量%以上95質量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記ポリアルキレングリコール成分の重量平均分子量は、200以上2000以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記液状成分は、0.5質量%以上の濃度で溶質を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 開口部を備え、かつ前記コンデンサ素子および前記液状成分を収容する容器と、
前記開口部を封口する封口体と、をさらに備え、
前記封口体は、弾性高分子を含み、
前記封口体に占める前記弾性高分子の割合は、10質量%以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 前記封口体に占める前記弾性高分子の割合は、50質量%以下である、請求項7に記載の電解コンデンサ。
- 前記弾性高分子は、フェノール樹脂および過酸化物からなる群より選択された少なくとも一種の架橋剤で架橋されている、請求項7または8に記載の電解コンデンサ。
- 表面に誘電体層を備える陽極体および前記誘電体層の一部を覆う導電性高分子を含むコンデンサ素子と、液状成分とを含む電解コンデンサを製造する方法であって、
4つ以上のヒドロキシ基を有する糖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一種を含む糖アルコール成分と、ポリアルキレングリコール成分と、を含む液状成分を調製する調製工程と、
前記導電性高分子を、前記誘電体層を備える前記陽極体に含浸させる導電性高分子含浸工程と、
前記導電性高分子含浸工程の後、前記液状成分を前記コンデンサ素子に含浸させる液状成分含浸工程と、を含み、
前記液状成分の20℃における粘度は、200mPa・s以上であり、
前記液状成分含浸工程において、前記液状成分を加熱して粘度を前記20℃における粘度よりも低下させ、該液状成分を前記コンデンサ素子に含浸させる、電解コンデンサの製造方法。 - 前記液状成分含浸工程において、前記液状成分を加熱して粘度を200mPa・s未満に調整して、該液状成分を前記コンデンサ素子に含浸させる、請求項10に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記調製工程において、
前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量を、5質量%以上とし、
前記液状成分中の前記ポリアルキレングリコール成分の含有量を、前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量より多くする、請求項10または11に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記調製工程において、
前記液状成分中の前記糖アルコール成分の含有量を、5質量%以上70質量%以下とする、請求項10または11に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記調製工程は、前記糖アルコール成分を前記ポリアルキレングリコール成分に溶解させる工程を含む、請求項10~13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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