JPWO2018043063A1 - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

電解コンデンサは、陽極体と、陽極体上に形成された誘電体層と、誘導体層上に形成された固体電解質層と、固体電解質層上に形成された陰極引出層と、を備える。固体電解質層は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子と、を含む。固体電解質層の誘電体層側の第2導電性高分子の量が、固体電解質層の陰極引出層側の第2導電性高分子の量よりも大きい。

Description

本発明は、導電性高分子を含む固体電解質層を有する電解コンデンサおよびその製造方法に関する。
小型かつ大容量で低ESRのコンデンサとして、誘電体層を形成した陽極体と、誘電体層の少なくとも一部を覆うように形成された固体電解質層とを具備する電解コンデンサが有望視されている。固体電解質層には、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)を含む導電性高分子層が広く用いられている(特許文献1参照)。
特表2002−524593号公報
しかし、誘電体層の上に形成されたPEDOTを含む導電性高分子層は、充放電の繰り返しにより収縮し易いため、充放電を繰り返すと導電性高分子層と誘電体層等との密着性が低下し、電解コンデンサの容量が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、繰り返し充放電特性に優れた電解コンデンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一局面は、陽極体と、前記陽極体上に形成された誘電体層と、前記誘導体層上に形成された固体電解質層と、前記固体電解質層上に形成された陰極引出層と、を備え、前記固体電解質層は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子と、を含み、前記固体電解質層の前記誘電体層側の前記第2導電性高分子の量が、前記固体電解質層の前記陰極引出層側の前記第2導電性高分子の量よりも大きい、電解コンデンサに関する。
本発明の別の一局面は、表面に誘電体層が形成された陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子とを含む第1処理液を接触させて、前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子を付着させる第1工程と、前記第1工程の後に、前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子が付着した前記陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子を含み、前記第1処理液よりアニリン骨格を有する第2導電性高分子の含有量が小さい第2処理液を接触させて、少なくとも前記第1導電性高分子を付着させる第2工程と、を含む、電解コンデンサの製造方法に関する。
本発明によれば、電解コンデンサの充放電の繰り返しに伴う容量低下を抑制することができる。また、高容量かつ耐電圧特性に優れた電解コンデンサが得られる。
本発明の一実施形態に係る電解コンデンサの断面模式図である。 図1に示す電解コンデンサの要部を拡大した断面模式図である。
[電解コンデンサ]
本発明の一実施形態に係る電解コンデンサは、陽極体と、陽極体上に形成された誘電体層と、誘導体層上に形成された固体電解質層と、固体電解質層上に形成された陰極引出層と、を備える。
固体電解質層は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子と、を含み、固体電解質層の誘電体層側の第2導電性高分子の量が、固体電解質層の陰極引出層側の第2導電性高分子の量よりも大きい。
より具体的には、固体電解質層の誘電体層側に含まれる第2導電性高分子の量W2xと、固体電解質層の陰極引出層側に含まれる第2導電性高分子の量W2yとは、関係式(1):
0≦W2y/W2x<1、かつ、0<W2x
を満たす。
ここで、任意の2以上の場所を比較したとき、固体電解質層の誘電体層の表面からの距離が小さい方が、その場所が固体電解質層の誘電体層側であることを意味し、固体電解質層の誘電体層の表面からの距離が大きい方が、その場所が固体電解質層の陰極引出層側であることを意味する。
ここで、W2xは、固体電解質層の誘電体層側に含まれる第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対する固体電解質層の誘電体層側に含まれる第2導電性高分子の量(質量部)を指す。W2yは、固体電解質層の陰極引出層側に含まれる第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対する固体電解質層の陰極引出層側に含まれる第2導電性高分子の量(質量部)を指す。
固体電解質層の誘電体層側の第2導電性高分子の量が、固体電解質層の陰極引出層側の第2導電性高分子の量よりも大きい場合、すなわち、上記関係式(1)を満たす場合、繰り返し充放電後の容量低下が抑制される。また、高容量かつ耐電圧特性に優れた電解コンデンサが得られる。W2y/W2xは、好ましくは0〜0.8、より好ましくは0〜0.5である。
固体電解質層(誘電体層側および陰極引出層側)は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子を含む。よって、高容量かつ耐電圧性に優れた電解コンデンサが得られる。
固体電解質層の少なくとも誘電体層側が、第2導電性高分子を含むことにより、充放電の繰り返しによる固体電解質層(誘電体層側)の収縮が緩和される。すなわち、充放電の繰り返しによる固体電解質層(誘電体層側)の収縮が抑制され、固体電解質層が誘電体層等から剥がれにくくなる。よって、充放電を繰り返した後の電解コンデンサの容量低下が抑制される。
固体電解質層の陰極引出層側は、第2導電性高分子を含まなくてもよいが、繰り返し充放電後の容量低下を更に抑制する観点から、第2導電性高分子を含むことが望ましい。但し、固体電解質層の陰極引出層側に含まれる第2導電性高分子の量が、固体電解質層の誘電体層側に含まれる第2導電性高分子の量以上に大きい場合、すなわち、1≦W2y/W2xである場合、相対的に固体電解質層の陰極引出層側に含まれる第1導電性高分子の量が小さくなるため、耐電圧特性が低下する。また、初期容量が低下する場合がある。
固体電解質層の誘電体層側が第2導電性高分子を含まない場合、すなわち、W2x=0の場合、繰り返し充放電後の容量が低下する。
固体電解質層は、誘電体層の少なくとも一部を覆うように形成されており、誘電体層と接触している。固体電解質層は、誘電体層の表面を修飾するために用いたシランカップリング剤の残渣により形成されるケイ素含有層などを介して誘電体層に密着していてもよく、誘電体層に直に密着していてもよい。
陽極体は、少なくとも一部が多孔質であり、固体電解質層の一部が、陽極体の孔内に侵入しており、陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量が、陽極体の孔外に存在する第2導電性高分子の量よりも大きいことが好ましい。第2導電性高分子は陽極体の孔外に存在しなくてもよい。
より具体的には、陽極体は、少なくとも一部が多孔質であり、固体電解質層の一部が、陽極体の孔内に侵入しており、陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量W2nと、陽極体の孔外に存在する第2導電性高分子の量W2oとは、関係式(2):
0≦W2o/W2n<1、かつ、0<W2n
を満たすことが好ましい。ここで、W2nは、陽極体の孔内に存在する第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対する陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量(質量部)を指す。W2oは、陽極体の孔外に存在する第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対する陽極体の孔外に存在する第2導電性高分子の量(質量部)を指す。
陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量が、陽極体の孔外に存在する第2導電性高分子の量よりも大きい場合、すなわち、上記関係式(2)を満たす場合、充放電の繰り返しに伴う固体電解質層(特に誘電体側)の収縮による誘電体層からの剥離が更に抑制される。W2o/W2nは、より好ましくは0〜0.8、更に好ましくは0〜0.5である。
陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量(W2n)が、陽極体の孔内に存在する第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対して5〜80質量部であることが好ましい。この場合、充放電の繰り返しに伴う固体電解質層(特に誘電体側)の収縮による誘電体層からの剥離が更に抑制される。
陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量が、陽極体の孔内に存在する第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対して5質量部以上であると、第2導電性高分子を含むことによる効果(繰り返し充放電後の容量低下の抑制効果)を更に高めることができる。陽極体の孔内に存在する第2導電性高分子の量が、陽極体の孔内に存在する第1導電性高分子および第2導電性高分子の合計100質量部に対して80質量部以下であると、第1導電性高分子を含むことによる効果(高容量化および耐電圧特性の向上効果)を更に高めることができる。
チオフェン骨格を有する第1導電性高分子は、ポリチオフェンまたはその誘導体であることが好ましい。ポリチオフェンの誘導体としては、例えば、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ(3−エチルチオフェン)、ポリ(3,4−ジメチルチオフェン)、ポリ(3,4−ジエチルチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)が挙げられる。中でも、高容量化、耐電圧特性の向上、耐熱性の向上の観点から、第1導電性高分子は、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)であることがより好ましい。
アニリン骨格を有する第2導電性高分子は、ポリアニリン(PANI)またはその誘導体であることが好ましい。ポリアニリンの誘導体としては、例えば、ポリ(2−メチルアニリン)、ポリ(2−エチルアニリン)、ポリ(2,6−ジメチルアニリン)が挙げられる。
中でも、繰り返し充放電後の容量低下の抑制の観点から、PANIがより好ましい。
繰り返し充放電後の容量低下の抑制効果、高容量化、耐電圧特性の向上効果がバランス良く得られることから、第1導電性高分子としてPEDOTと第2導電性高分子としてPANIとを組み合わせて用いることが好ましい。
固体電解質層は、本発明の効果を損なわない範囲内で、更に他の成分を含んでもよい。
固体電解質層は、第1導電性高分子層と、第1導電性高分子層よりも陰極引出層側に形成された第2導電性高分子層と、を含み、第1導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量が、第2導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量よりも大きいことが好ましい。
より具体的には、第1導電性高分子層は、チオフェン骨格を有する第1A導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2A導電性高分子と、を含み、第2導電性高分子層は、チオフェン骨格を有する第1B導電性高分子を含み、アニリン骨格を有する第2B導電性高分子を含む。第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量W2aと、第2導電性高分子層に含まれる第2B導電性高分子の量W2bとは、関係式(3):
0≦W2b/W2a<1、かつ、0<W2a
を満たすことが好ましい。
ここで、W2aは、第1導電性高分子層に含まれる第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対する第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量(質量部)を指す。W2bは、第2導電性高分子層に含まれる第1B導電性高分子および第2B導電性高分子の合計100質量部に対する第2導電性高分子層に含まれる第2B導電性高分子の量(質量部)を指す。
第1導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量が、第2導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量よりも大きい場合、すなわち、上記関係式(3)を満たす場合、繰り返し充放電後の容量低下が抑制される。また、高容量かつ耐電圧特性に優れた電解コンデンサが得られる。W2b/W2aは、好ましくは0〜0.8、より好ましくは0〜0.5である。
固体電解質層(第1導電性高分子層および第2導電性高分子層)は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子(第1A導電性高分子および第1B導電性高分子)を含む。よって、高容量かつ耐電圧性に優れた電解コンデンサが得られる。
第1導電性高分子層が、第2導電性高分子(第2A導電性高分子)を含むことにより、充放電の繰り返しによる固体電解質層(第1導電性高分子層)の収縮が緩和される。すなわち、充放電の繰り返しによる固体電解質層(第1導電性高分子層)の収縮が抑制され、第1導電性高分子層が誘電体層等から剥がれにくくなる。よって、充放電を繰り返した後の電解コンデンサの容量低下が抑制される。
第2導電性高分子層は、第2導電性高分子(第2B導電性高分子)を含まなくてもよいが、繰り返し充放電後の容量低下を更に抑制する観点から、第2導電性高分子(第2B導電性高分子)を含むことが望ましい。但し、第2導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量が、第1導電性高分子層に含まれる第2導電性高分子の量以上に大きい場合、すなわち、1≦W2b/W2aである場合、相対的に第1導電性高分子(第1B導電性高分子)の量が小さくなるため、耐電圧特性が低下する。また、初期容量が低下する場合がある。
第1導電性高分子層が第2導電性高分子を含まない場合、すなわち、W2a=0の場合、繰り返し充放電後の容量が低下する。
第1導電性高分子層は、誘電体層の少なくとも一部を覆うように形成されており、誘電体層と接触している。第1導電性高分子層は、誘電体層の表面を修飾するために用いたシランカップリング剤の残渣により形成されるケイ素含有層などを介して誘電体層に密着していてもよく、誘電体層に直に密着していてもよい。
第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量(W2a)が、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対して5〜80質量部であることが好ましい。この場合、充放電の繰り返しに伴う第1導電性高分子層の収縮による誘電体層からの剥離が更に抑制される。
第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量が、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対して5質量部以上であると、第2A導電性高分子を含むことによる効果(繰り返し充放電後の容量低下の抑制効果)を更に高めることができる。第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量が、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対して80質量部以下であると、第1A導電性高分子を含むことによる効果(高容量化および耐電圧特性の向上効果)を更に高めることができる。
高容量化、耐電圧特性の向上、および、繰り返し充放電特性の向上の観点から、第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量は、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対して40〜75質量部であることがより好ましく、40〜60質量部であることが更に好ましい。
陽極体の少なくとも一部が多孔質である場合、第1導電性高分子層の少なくとも一部は、陽極体の孔内に存在していることが好ましい。この場合、第1導電性高分子層と誘電体層との密着性を更に高めることができ、充放電の繰り返しに伴う第1導電性高分子層の収縮による誘電体層からの剥離が更に抑制される。
第2導電性高分子層の厚みが、第1導電性高分子層の厚みよりも大きいことが好ましい。第2導電性高分子層が十分に大きな厚みを有することで、耐電圧特性を更に高めることができる。
第1A導電性高分子および第1B導電性高分子としては、第1導電性高分子で例示したものを用いることができる。第1A導電性高分子は、第1B導電性高分子と、分子構造は同じでもよく、異なっていてもよい。
第2A導電性高分子および第2B導電性高分子としては、第2導電性高分子で例示したものを用いることができる。第2A導電性高分子は、第2B導電性高分子と、分子構造は同じでもよく、異なっていてもよい。
繰り返し充放電後の容量低下の抑制効果、高容量化、耐電圧特性の向上効果がバランス良く得られることから、第1導電性高分子(第1A導電性高分子および第1B導電性高分子)としてPEDOTと、第2導電性高分子(第2A導電性高分子および第2B導電性高分子)としてPANIとを組み合わせて用いることが好ましい。
第1導電性高分子層および第2導電性高分子層は、本発明の効果を損なわない範囲内で、更に他の成分を含んでもよい。
以下に、電解コンデンサの構成について、より詳細に説明する。
(陽極体)
陽極体としては、表面積の大きな導電性材料が使用できる。導電性材料としては、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が例示できる。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。表面が多孔質な陽極体は、例えば、エッチングなどにより導電性材料で形成された基材(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、導電性材料の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。すなわち、陽極体が焼結体である場合、陽極体の全体が多孔質となり得る。
(誘電体層)
誘電体層は、陽極体表面の導電性材料を、化成処理などにより陽極酸化することで形成される。陽極酸化により、誘電体層は導電性材料(特に、弁作用金属)の酸化物を含む。例えば、弁作用金属としてタンタルを用いた場合の誘電体層はTa25を含み、弁作用金属としてアルミニウムを用いた場合の誘電体層はAl23を含む。尚、誘電体層はこれに限らず、誘電体として機能するものであればよい。
陽極体の表面が多孔質である場合、誘電体層は、陽極体の表面(陽極体の孔やピットの内壁面を含む表面)に沿って形成される。
(固体電解質層)
以下、固体電解質層を構成する各導電性高分子層に共通する事項について説明する。
導電性高分子の重量平均分子量は、特に限定されないが、例えば1,000〜1,000,000である。
導電性高分子は、例えば、導電性高分子の前駆体を重合することにより得ることができる。導電性高分子の前駆体としては、導電性高分子を構成するモノマー、および/またはモノマーがいくつか連なったオリゴマーなどが例示できる。重合方法としては、化学酸化重合および電解酸化重合のどちらも採用することができる。
導電性高分子層は、さらにドーパントを含んでもよい。導電性高分子層において、ドーパントは、導電性高分子にドープされた状態で含まれていてもよく、導電性高分子と結合した状態で含まれていてもよい。ドーパントが結合またはドープされた導電性高分子は、ドーパントの存在下で、導電性高分子の前駆体を重合させることにより得ることができる。
ドーパントとしては、スルホン酸基、カルボキシ基、リン酸基(−O−P(=O)(−OH)2)、および/またはホスホン酸基(−P(=O)(−OH)2)などのアニオン性基を有するものが使用される。ドーパントは、アニオン性基を一種有してもよく、二種以上有してもよい。アニオン性基としては、スルホン酸基が好ましく、スルホン酸基とスルホン酸基以外のアニオン性基との組み合わせでもよい。ドーパントは、低分子ドーパントでもよく、高分子ドーパントでもよい。導電性高分子層は、ドーパントを1種だけ含んでもよく、二種以上のドーパントを含んでもよい。
低分子ドーパントとしては、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸などのアルキルベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、アントラキノンスルホン酸などが挙げられる。
高分子ドーパントとしては、スルホン酸基を有するモノマーの単独重合体、スルホン酸基を有するモノマーと他のモノマーとの共重合体、スルホン化フェノール樹脂などが例示できる。スルホン酸基を有するモノマーとしては、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、イソプレンスルホン酸などが例示できる。他のモノマーとしては、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸などの芳香族ジカルボン酸などが好ましい。また、他のモノマーとしては、アクリル酸などが例示できる。具体的には、高分子ドーパントとしては、ポリスチレンスルホン酸(PSS)などが例示できる。
高分子ドーパントの重量平均分子量は、例えば、1,000〜1,000,000である。このような分子量を有する高分子ドーパントを用いると、ESRを低減し易い。
導電性高分子層に含まれるドーパントの量は、導電性高分子100質量部に対して、10〜1,000質量部であることが好ましい。
図1は、本発明の一実施形態に係る電解コンデンサの構造を概略的に示す断面図である。図1に示すように、電解コンデンサ1は、コンデンサ素子2と、コンデンサ素子2を封止する樹脂封止材3と、樹脂封止材3の外部にそれぞれ少なくともその一部が露出する陽極端子4および陰極端子5と、を備えている。陽極端子4および陰極端子5は、例えば銅または銅合金などの金属で構成することができる。樹脂封止材3は、ほぼ直方体の外形を有しており、電解コンデンサ1もほぼ直方体の外形を有している。樹脂封止材3の素材としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。
コンデンサ素子2は、陽極体6と、陽極体6を覆う誘電体層7と、誘電体層7を覆う陰極部8とを備える。陰極部8は、誘電体層7を覆う固体電解質層9と、固体電解質層9を覆う陰極引出層10とを備える。陰極引出層10は、カーボン層11および銀ペースト層12を有する。
陽極体6は、陰極部8と対向する領域と、対向しない領域とを含む。陽極体6の陰極部8と対向しない領域のうち、陰極部8に隣接する部分には、陽極体6の表面を帯状に覆うように絶縁性の分離層13が形成され、陰極部8と陽極体6との接触が規制されている。陽極体6の陰極部8と対向しない領域のうち、他の一部は、陽極端子4と、溶接により電気的に接続されている。陰極端子5は、導電性接着剤により形成される接着層14を介して、陰極部8と電気的に接続している。
陽極体6としては、導電性材料で形成された基材(箔状または板状の基材など)の表面が粗面化されたものが用いられる。例えば、アルミニウム箔の表面をエッチング処理により粗面化したものが用いられる。誘電体層7は、例えば、Al23のようなアルミニウム酸化物を含む。
陽極端子4および陰極端子5の主面4Sおよび5Sは、樹脂封止材3の同じ面から露出している。この露出面は、電解コンデンサ1を搭載すべき基板(図示せず)との半田接続などに用いられる。
カーボン層11は、導電性を有していればよく、例えば、黒鉛などの導電性炭素材料を用いて構成することができる。銀ペースト層12には、例えば、銀粉末とバインダ樹脂(エポキシ樹脂など)を含む組成物を用いることができる。なお、陰極引出層10の構成は、これに限られず、集電機能を有する構成であればよい。
図2に示すように、固体電解質層9は、誘電体層7の側から順に、チオフェン骨格を有する第1A導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2A導電性高分子とを含む第1導電性高分子層9aと、チオフェン骨格を有する第1B導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2B導電性高分子とを含む第2導電性高分子層9bとを有する。第1導電性高分子層に含まれる第2A導電性高分子の量W2aと、第2導電性高分子層に含まれる第2B導電性高分子の量W2bとは、関係式(3):
0≦W2b/W2a<1、かつ、0<W2a
を満たす。
第1導電性高分子層9aは、誘電体層7を覆うように形成されており、第2導電性高分子層9bは、第1導電性高分子層9aを覆うように形成されている。固体電解質層9(第1導電性高分子層9a)は、必ずしも誘電体層7の全体(表面全体)を覆う必要はなく、誘電体層7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7は、陽極体6の表面(孔の内壁面を含む表面)に沿って形成される。誘電体層7の表面は、図2に示すように、陽極体6の表面の形状に応じた凹凸形状が形成されている。充放電の繰り返しに伴う第1導電性高分子層9aの収縮による誘電体層7からの剥離を更に抑制するためには、第1導電性高分子層9aが、このような誘電体層7の凹凸を埋めるように形成されていることが好ましい。
本発明の電解コンデンサは、上記構造の電解コンデンサに限定されず、様々な構造の電解コンデンサに適用することができる。具体的に、巻回型の電解コンデンサ、金属粉末の焼結体を陽極体として用いる電解コンデンサなどにも、本発明を適用できる。
[電解コンデンサの製造方法]
電解コンデンサの製造方法は、表面に誘電体層が形成された陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子とを含む第1処理液を接触させて、第1導電性高分子および第2導電性高分子を付着させる第1工程(第1導電性高分子層の形成工程)と、第1工程の後に、第1導電性高分子および第2導電性高分子が付着した陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子を含み、第1処理液よりアニリン骨格を有する第2導電性高分子の含有量が小さい第2処理液を接触させて、少なくとも第1導電性高分子を付着させる第2工程(第2導電性高分子層の形成工程)と、を含む。
より具体的には、表面に誘電体層が形成された陽極体に、第1A導電性高分子と第2A導電性高分子とを含む第1処理液を接触させて、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子を付着させる第1工程と、第1工程の後に、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子が付着した陽極体に、第1B導電性高分子と第2B導電性高分子とを含む第2処理液を接触させて、第1B導電性高分子および第2B導電性高分子を付着させる第2工程と、を含み、第1処理液に含まれる第2A導電性高分子の量WL1と、第2処理液に含まれる第2B導電性高分子の量WL2とは、関係式(4):
0≦WL2/WL1<1、かつ、0<WL1
を満たす。
ここで、WL1は、第1処理液に含まれる第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の合計100質量部に対する第2A導電性高分子の量(質量部)を指す。WL2は、第2処理液に含まれる第1B導電性高分子および第2B導電性高分子の合計100質量部に対する第2B導電性高分子の量(質量部)を指す。
第2処理液に含まれる第2導電性高分子の量が、第1処理液に含まれる第2導電性高分子の量よりも小さい場合、すなわち、上記関係式(4)を満たす場合、繰り返し充放電後の容量低下が抑制される。また、高容量かつ耐電圧特性に優れた電解コンデンサが得られる。WL2/WL1は、好ましくは0〜0.8、より好ましくは0〜0.5である。
第1処理液および第2処理液は、それぞれチオフェン骨格を有する第1導電性高分子(第1A導電性高分子および第1B導電性高分子)を含む。よって、第1処理液および第2処理液を用いて第1A導電性高分子を含む第1導電性高分子層および第1B導電性高分子を含む第2導電性高分子層を形成することで、高容量かつ耐電圧性に優れた電解コンデンサが得られる。
第1処理液は、第2導電性高分子(第2A導電性高分子)を含む。よって、第1処理液を用いて第2導電性高分子(第2A導電性高分子)を含む第1導電性高分子層を形成することにより、充放電の繰り返しによる固体電解質層(第1導電性高分子層)の収縮が緩和される。すなわち、充放電の繰り返しによる固体電解質層(第1導電性高分子層)の収縮が抑制され、第1導電性高分子層が誘電体層等から剥がれにくくなる。その結果、充放電を繰り返した後の電解コンデンサの容量低下が抑制される。
第2処理液は、第2導電性高分子(第2B導電性高分子)を含まなくてもよいが、繰り返し充放電後の容量低下を更に抑制する観点から、第2導電性高分子(第2B導電性高分子)を含むことが望ましい。但し、第2処理液に含まれる第2導電性高分子の量が、第1処理液に含まれる第2導電性高分子の量以上に大きい場合、すなわち、1≦WL2/WL1である場合、相対的に第1導電性高分子(第1B導電性高分子)の量が小さくなるため、耐電圧特性が低下する。また、初期容量が低下する場合がある。
第1処理液が第2導電性高分子を含まない場合、すなわち、WL1=0の場合、第1処理液を用いて形成される第1導電性高分子層は第2導電性高分子(第2A導電性高分子)を含まないため、繰り返し充放電後の容量が低下する。
電解コンデンサの製造方法は、第1工程および第2工程に先立って、陽極体を準備する工程、および陽極体上に誘電体層を形成する工程を含んでもよい。また、製造方法は、更に、陰極引出層を形成する工程を含んでもよい。
以下に、各工程についてより詳細に説明する。
(陽極体を準備する工程)
この工程では、陽極体の種類に応じて、公知の方法により陽極体を形成する。
陽極体は、例えば、導電性材料で形成された箔状または板状の基材の表面を粗面化することにより準備することができる。粗面化は、基材表面に凹凸を形成できればよく、例えば、基材表面をエッチング(例えば、電解エッチング)することにより行ってもよく、蒸着などの気相法を利用して、基材表面に導電性材料の粒子を堆積させることにより行ってもよい。
また、弁作用金属の粉末を用意し、この粉末の中に、棒状体の陽極リードの長手方向の一端側を埋め込んだ状態で、所望の形状(例えば、ブロック状)に成形された成形体を得る。この成形体を焼結することで、陽極リードの一端が埋め込まれた多孔質構造の陽極体を形成してもよい。
(誘電体層を形成する工程)
この工程では、陽極体上に誘電体層を形成する。誘電体層は、陽極体を化成処理などにより陽極酸化することにより形成される。陽極酸化は、公知の方法、例えば、化成処理などにより行うことができる。化成処理は、例えば、陽極体を化成液中に浸漬することにより、誘電体層が形成された陽極体の表面に化成液を含浸させ、陽極体をアノードとして、化成液中に浸漬したカソードとの間に電圧を印加することにより行うことができる。化成液としては、例えば、リン酸水溶液などを用いることが好ましい。
(第1導電性高分子層を形成する工程)
第1工程では、第1導電性高分子層を、誘電体層の少なくとも一部を覆うように形成する。第1工程では、例えば、誘電体層が形成された陽極体に、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子を含む第1処理液を接触させて第1A導電性高分子および第2A導電性高分子を付着させる。この場合、膜質が緻密な第1導電性高分子層を形成することができる。第1処理液は、さらにドーパントなどの他の成分を含んでもよい。
第1導電性高分子層の形成工程は、例えば、誘電体層が形成された陽極体を第1処理液に浸漬するか、または誘電体層が形成された陽極体に第1処理液を塗布や滴下した後、乾燥する工程aを含む。工程aを複数回繰り返し行ってもよい。
第1処理液は、例えば、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子の分散液(溶液)である。第1処理液中に存在する第1A導電性高分子の粒子の平均粒径は、例えば、5〜800nmである。第1処理液中に存在する第2A導電性高分子の粒子の平均粒径は、例えば、400nm以下である。導電性高分子の平均粒径は、例えば、動的光散乱法による粒径分布から求めることができる。
第1A導電性高分子がチオフェン骨格を有し、第2A導電性高分子がアニリン骨格を有することから、第1処理液を、第1A導電性高分子の分散液として用い、かつ、第2A導電性高分子の溶液として用いることが好ましい。第1処理液は、第1A導電性高分子の分散液と第2A導電性高分子の溶液とを配合して調製してもよい。また、第1処理液は、第2A導電性高分子の溶液に粉末状の第1A導電性高分子を投入し分散させて調製してもよい。
第1処理液に用いられる分散媒(溶媒)としては、例えば、水、有機溶媒、またはこれらの混合物が挙げられる。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどの1価アルコール、エチレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール、または、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、アセトン、ベンゾニトリルなどの非プロトン性極性溶媒が挙げられる。
(第2導電性高分子層を形成する工程)
第2工程では、第2導電性高分子層を、第1導電性高分子層の少なくとも一部を覆うように形成する。第2工程では、例えば、第1工程の後に、第1A導電性高分子および第2A導電性高分子が付着した陽極体に、第1B導電性高分子および第2B導電性高分子を含む第2処理液を接触させて第1B導電性高分子および第2B導電性高分子を付着させる。この場合、膜質が緻密な第2導電性高分子層を形成することができる。第2処理液は、さらにドーパントなどの他の成分を含んでもよい。
第2導電性高分子層の形成工程は、例えば、第1導電性高分子層を第2処理液に浸漬するか、または第1導電性高分子層に第2処理液を塗布や滴下した後、乾燥する工程bを含む。工程bを複数回繰り返し行ってもよい。
第2処理液は、例えば、第1B導電性高分子および第2B導電性高分子の分散液(溶液)である。第2処理液中に存在する第1B導電性高分子の粒子の平均粒径は、例えば、5〜800nmである。第2処理液中に存在する第2B導電性高分子の粒子の平均粒径は、例えば、400nm以下である。
第1B導電性高分子がチオフェン骨格を有し、第2B導電性高分子がアニリン骨格を有することから、第2処理液を、第1B導電性高分子の分散液として用い、かつ、第2B導電性高分子の溶液として用いることが好ましい。第2処理液は、第1B導電性高分子の分散液と第2B導電性高分子の溶液とを配合して調製してもよい。また、第2処理液は、第2B導電性高分子の溶液に粉末状の第1B導電性高分子を投入し分散させて調製してもよい。
第2処理液は、第2B導電性高分子を含まなくてもよい。この場合、第2処理液に第1B導電性高分子の分散液を用いればよい。
固体電解質層(第2導電性高分子層)を十分に厚みを持たせて形成するためには、第1B導電性高分子の粒子の平均粒径は、第1A導電性高分子の粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。
また、第2導電性高分子層を十分に厚みを持たせて形成するために、第2処理液では、第1処理液と比べて、処理液中の導電性高分子の固形分濃度が大きいものを用いてもよく、第2処理液を用いる工程bの回数を増やしてもよい。
また、第1B導電性高分子の粒子の平均粒径が、第1A導電性高分子の粒子の平均粒径と同程度である場合、第1B導電性高分子の粒子の平均粒径よりも大きい平均粒径を有する第1C導電性高分子の粒子を含む第3処理液を用いて、第3導電性高分子層を、第2導電性高分子層の上に形成してもよい。この場合、固体電解質層(第3導電性高分子層)を十分に厚みを持たせて形成することができる。第1C導電性高分子は、チオフェン骨格を有し、第1B導電性高分子と、分子構造は同じでもよく、異なっていてもよい。
第3導電性高分子層の形成工程は、例えば、第2工程で得られた第2導電性高分子層を第3処理液に浸漬するか、または第2工程で得られた第2導電性高分子層に第3処理液を塗布や滴下した後、乾燥する工程cを含む。工程cを複数回繰り返し行ってもよい。
第3処理液は、例えば、第1C導電性高分子の分散液または溶液である。第3処理液中に存在する第1C導電性高分子の粒子の平均粒径は、例えば、5〜800nmである。第1C導電性高分子がチオフェン骨格を有することから、第3導電性高分子層の形成には、第1C導電性高分子の分散液を用いることが好ましい。
第2処理液や第3処理液に用いられる分散媒(溶媒)としては、第1処理液で例示されたものを用いることができる。
(陰極引出層を形成する工程)
この工程では、第2工程で得られた陽極体の(好ましくは形成された固体電解質層の)表面に、カーボン層と銀ペースト層とを順次積層することにより陰極引出層が形成される。
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。
《実施例1》
下記の要領で、図1に示す電解コンデンサ1を作製し、その特性を評価した。
(1)陽極体を準備する工程
基材としてアルミニウム箔(厚み100μm)を準備し、アルミニウム箔の表面にエッチング処理を施し、陽極体6を得た。陽極体6の所定の箇所に絶縁性のレジストテープ(分離層13)を貼り付けた。
(2)誘電体層を形成する工程
陽極体6を濃度0.3質量%のリン酸溶液(液温70℃)に浸して70Vの直流電圧を20分間印加することにより、陽極体6の表面に酸化アルミニウム(Al2)を含む誘電体層7を形成した。
(3)第1導電性高分子層を形成する工程(第1工程)
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度2質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径400nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1A導電性高分子(PEDOT)および第2A導電性高分子(PANI)を55:45の質量比で含む第1処理液を準備した。
誘電体層7が形成された陽極体6を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層9aを形成した。
(4)第2導電性高分子層を形成する工程(第2工程)
第2A導電性高分子(PEDOT)を含む第2処理液として、ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)を準備した。第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層9bを形成した。
(5)陰極引出層を形成する工程
第2導電性高分子層9b(表面に、誘電体層、第1導電性高分子層、および第2導電性高分子層が、順次形成された陽極体)に、黒鉛粒子を水に分散した分散液を塗布した後、大気中で乾燥して、第2導電性高分子層9bの表面にカーボン層11を形成した。
次いで、カーボン層11の表面に、銀粒子とバインダ樹脂(エポキシ樹脂)とを含む銀ペーストを塗布した後、加熱してバインダ樹脂を硬化させ、銀ペースト層12を形成した。このようにして、カーボン層11と銀ペースト層12とで構成される陰極引出層10を形成した。
このようにして、コンデンサ素子2を得た。
(6)電解コンデンサの組み立て
コンデンサ素子2に、さらに、陽極端子4、陰極端子5、接着層14を配置し、樹脂封止材3で封止することにより、電解コンデンサを製造した。
《実施例2〜5》
第1A導電性高分子(PEDOT)および第2A導電性高分子(PANI)の質量比を表1に示す値に変更した以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
《実施例6》
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度2質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径400nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1A導電性高分子(PEDOT)および第2A導電性高分子(PANI)を55:45の質量比で含む第1処理液を準備した。
誘電体層が形成された陽極体を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層を形成した。
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1B導電性高分子(PEDOT)および第2B導電性高分子(PANI)を95:5の質量比で含む第2処理液を準備した。
第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層を形成した。
上記の第1導電性高分子層および第2導電性高分子層の形成以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
《比較例1》
第2A導電性高分子(PANI)を含む第1処理液として、PANI水溶液(濃度5質量%)を準備した。誘電体層が形成された陽極体を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層を形成した。
第1B導電性高分子(PEDOT)を含む第2処理液として、ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)を準備した。第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層を形成した。
上記の第1導電性高分子層および第2導電性高分子層の形成以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
《比較例2》
第1A導電性高分子(PEDOT)を含む第1処理液として、ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度2質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径400nm)を準備した。誘電体層7が形成された陽極体6を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層を形成した。
第1B導電性高分子(PEDOT)を含む第2処理液として、ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)を準備した。第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層を形成した。
上記の第1導電性高分子層および第2導電性高分子層の形成以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
《比較例3》
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度2質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径400nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1A導電性高分子(PEDOT)および第2A導電性高分子(PANI)を55:45の質量比で含む第1処理液を準備した。
誘電体層が形成された陽極体を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層を形成した。
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1B導電性高分子(PEDOT)および第2B導電性高分子(PANI)を55:45の質量比で含む第2処理液を準備した。
第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層を形成した。
上記の第1導電性高分子層および第2導電性高分子層の形成以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
《比較例4》
第1A導電性高分子(PEDOT)を含む第1処理液として、ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度2質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径400nm)を準備した。誘電体層が形成された陽極体を第1処理液に浸漬した後、120℃で10〜30分間乾燥する工程を1回繰り返し行い、第1導電性高分子層を形成した。
ドーパントとしてPSSを含むPEDOT水分散液(濃度4質量%、ドーパントを含むPEDOT粒子の平均粒子径600nm)とPANI水溶液(濃度5質量%)とを調合し、第1B導電性高分子(PEDOT)および第2B導電性高分子(PANI)を55:45の質量比で含む第2処理液を準備した。
第1導電性高分子層が形成された陽極体を第2処理液に浸漬した後、190℃で2〜5分間乾燥する工程を1回行い、第2導電性高分子層を形成した。
上記の第1導電性高分子層および第2導電性高分子層の形成以外は、実施例1と同様に電解コンデンサを作製した。
[評価]
(1)初期容量の測定
25℃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120Hzにおける初期の静電容量(容量A)を測定した。各電解コンデンサの容量Aを、比較例1の容量Aを100とした指数として表した。
(2)繰り返し充放電後の容量低下率の測定
電解コンデンサを、25℃の環境下で、定格電圧の1.25倍の電圧下で、5秒間充電と5秒間放電とを交互に10000回繰り返し行った。その後、上記(1)と同様の方法で容量Bを測定した。
そして、下記式により繰り返し充放電後の容量低下率(%)を求めた。
繰り返し充放電後の容量低下率(%)=(容量A−容量B)/容量A×100
(3)耐電圧特性の測定
電解コンデンサの電圧を1V/sで昇圧し、電流値が0.5Aを超えた時の電圧値(V)を測定した。各電解コンデンサの電圧値を、比較例1の電圧値を100とした指数として表した。この値が大きいほど、耐電圧特性が高いことを示す。
評価結果を表1および2に示す。
Figure 2018043063
Figure 2018043063
表1および2に示されるように、実施例1〜5では、高容量かつ良好な繰り返し充放電特性および耐電圧特性が同時に得られた。
比較例1では、第1導電性高分子層がPEDOTを含まないため、初期容量が低下した。比較例2では、繰り返し充放電後に容量が大幅に低下した。これは、第1導電性高分子層および第2導電性高分子層がPANIを含まないことから、充放電の繰り返しによる第1導電性高分子層の誘電体層からの剥離を抑制する効果が得られなかったためと考えられる。比較例3および4では、第2導電性高分子層中のPEDOT量が少ないため、耐電圧特性が低下した。
本発明に係る電解コンデンサは、充放電を繰り返した後においても高容量が求められる様々な用途に利用できる。
1:電解コンデンサ、2:コンデンサ素子、3:樹脂封止材、4:陽極端子、5:陰極端子、6:陽極体、7:誘電体層、8:陰極部、9:固体電解質層、9a:第1導電性高分子層、9b:第2導電性高分子層、10:陰極引出層、11:カーボン層、12:銀ペースト層 、13:分離層、14:接着層

Claims (10)

  1. 陽極体と、前記陽極体上に形成された誘電体層と、前記誘導体層上に形成された固体電解質層と、前記固体電解質層上に形成された陰極引出層と、を備え、
    前記固体電解質層は、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子と、を含み、
    前記固体電解質層の前記誘電体層側の前記第2導電性高分子の量が、前記固体電解質層の前記陰極引出層側の前記第2導電性高分子の量よりも大きい、電解コンデンサ。
  2. 前記固体電解質層は、第1導電性高分子層と、前記第1導電性高分子層よりも前記陰極引出層側に形成された第2導電性高分子層と、を含み、
    前記第1導電性高分子層に含まれる前記第2導電性高分子の量が、前記第2導電性高分子層に含まれる前記第2導電性高分子の量よりも大きい、請求項1に記載の電解コンデンサ。
  3. 前記第1導電性高分子層に含まれる前記第2導電性高分子の量が、前記第1導電性高分子層に含まれる前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子の合計100質量部に対して5〜80質量部である、請求項2に記載の電解コンデンサ。
  4. 前記第2導電性高分子層は、前記第2導電性高分子を含まない、請求項3に記載の電解コンデンサ。
  5. 前記陽極体は、少なくとも一部が多孔質であり、
    前記固体電解質層の一部が、前記陽極体の孔内に侵入しており、
    前記陽極体の孔内に存在する前記第2導電性高分子の量が、前記陽極体の孔外に存在する前記第2導電性高分子の量よりも大きい、請求項1に記載の電解コンデンサ。
  6. 前記陽極体の孔内に存在する前記第2導電性高分子の量が、前記陽極体の孔内に存在する前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子の合計100質量部に対して5〜80質量部である、請求項5に記載の電解コンデンサ。
  7. 前記固体電解質層において、前記第2導電性高分子は前記陽極体の孔外に存在しない、請求項5または6に記載の電解コンデンサ。
  8. 前記第1導電性高分子はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を含み、前記第2導電性高分子はポリアニリンを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
  9. 表面に誘電体層が形成された陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子と、アニリン骨格を有する第2導電性高分子とを含む第1処理液を接触させて、前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子を付着させる第1工程と、
    前記第1工程の後に、前記第1導電性高分子および前記第2導電性高分子が付着した前記陽極体に、チオフェン骨格を有する第1導電性高分子を含み、前記第1処理液よりアニリン骨格を有する第2導電性高分子の含有量が小さい第2処理液を接触させて、少なくとも前記第1導電性高分子を付着させる第2工程と、
    を含む、電解コンデンサの製造方法。
  10. 前記第1導電性高分子はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を含み、前記第2導電性高分子はポリアニリンを含む、請求項9に記載の電解コンデンサの製造方法。
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