KR20230142494A - 콘덴서 - Google Patents
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Abstract
본 개시는, 예를 들어 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서에 적합한 세퍼레이터, 또는 이 세퍼레이터를 포함하는 콘덴서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 콘덴서(2)는 양극박(12), 음극박(14) 및 상기 양극박과 상기 음극박의 사이에 배치된 세퍼레이터(16)를 포함하고, 상기 음극박은 카본층(20)을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 카본층에 접촉하고, 이하의 식을 충족시키는 밀도〔기호: ρ, 단위: g/cm3〕를 갖는다. ρ≥4.0×10-3×WPA 여기서, WPA는, 세퍼레이터 1평방 센티미터당 카본양〔단위: μg/cm2〕이다.
Description
본 개시는 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서에 관한 것이다.
전해 콘덴서는, 양극박과, 음극박과, 양극박 및 음극박의 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 전기를 축적하는 것이 가능하다. 이러한 전해 콘덴서에 있어서, 카본층이 음극박에 형성되는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1). 카본층은, 예를 들어 음극박의 정전 용량을 높인다는 작용을 갖는다.
그런데, 전해 콘덴서 등의 콘덴서에서는, 양극박과 음극박 사이의 쇼트를 방지할 필요가 있다. 다량의 카본이 음극박으로부터 이탈하면, 세퍼레이터의 절연 기능에 대한 악영향이 우려된다. 특허문헌 1에는 이러한 과제의 개시나 시사는 없고, 특허문헌 1에 개시된 구성으로는 이러한 과제를 해결할 수 없다.
그래서, 본 개시는, 예를 들어 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서에 적합한 세퍼레이터, 또는 이 세퍼레이터를 포함하는 콘덴서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면 따르면, 콘덴서는, 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 상기 음극박의 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다. 상기 음극박은 카본층을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 카본층에 접촉하고, 이하의 식을 충족시키는 밀도〔기호: ρ, 단위: g/cm3〕를 갖는다.
ρ≥4.0×10-3×WPA
여기서, WPA는, 세퍼레이터 1평방 센티미터당 카본양〔단위: μg/cm2〕이다.
상기 콘덴서에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 카본층에 접촉하는 크라프트계의 세퍼레이터여도 된다.
상기 콘덴서에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 음극박에 접촉하는 음극 측 표면에 상기 카본양 이하의 카본을 포함해도 된다.
상기 콘덴서에 있어서, 상기 카본은, 상기 음극 측 표면에만 부착되어도 된다.
상기 콘덴서에 있어서, 상기 카본은, 상기 음극 측 표면의 전체에 배치되어도 되고, 또는 상기 음극 측 표면에 부분적으로 배치되어도 된다.
본 개시의 상기 측면에 따르면, 예를 들어 다음의 효과가 얻어진다.
(1) 세퍼레이터가 4.0×10-3×WPA 이상의 밀도를 가지므로, 세퍼레이터가 다양한 종류 및 폭넓은 두께의 범위에 있어서, 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서의 전극 간의 큰 쇼트 억제 효과를 제공 가능하다. 세퍼레이터는, 부착된 카본에 의한 절연성의 저하 억제라는 이질적인 효과를 갖고, 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서에 적합하다.
(2) 콘덴서가 크라프트계의 세퍼레이터를 갖는 경우, 크라프트계의 세퍼레이터와 동일한 밀도 및 동일한 두께를 갖는 다른 종이 종류의 세퍼레이터보다 큰 쇼트 억제 효과를 제공 가능하다. 크라프트계의 세퍼레이터는, 부착된 카본에 의한 절연성의 저하 억제라는 이질적인 효과를 갖고, 카본층이 형성된 음극박을 포함하는 콘덴서에 적합하다.
도 1은 실시 형태에 관한 콘덴서의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 실험 시료 및 도통 저항의 측정을 나타내는 도면이다.
도 3은 실험 시료의 도통 저항값의 표이다.
도 4는 실험 시료의 도통 저항값의 그래프이다.
도 5는 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항 및 시트 저항차의 표이다.
도 6은 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항차의 그래프이다.
도 2는 실험 시료 및 도통 저항의 측정을 나타내는 도면이다.
도 3은 실험 시료의 도통 저항값의 표이다.
도 4는 실험 시료의 도통 저항값의 그래프이다.
도 5는 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항 및 시트 저항차의 표이다.
도 6은 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항차의 그래프이다.
도 1은 실시 형태에 관한 콘덴서의 일 예를 나타내고 있다. 도 1에 있어서, 콘덴서의 외장 케이스, 밀봉 부재 및 전해질은 생략되어 있다. 도 1의 B는, 도 1의 A에 나타내는 범위 IB 부분의 확대도이다. 도 1에 나타내는 구성은 일 예이며, 이러한 구성에 본 개시의 기술이 한정되는 것은 아니다.
콘덴서(2)는 전자 부품의 일 예이며, 예를 들어 전해 콘덴서이다. 콘덴서(2)는 콘덴서 소자(4)와, 단자 리드(6)와, 외장 케이스와, 밀봉 부재를 포함하고 있다. 단자 리드(6)는, 콘덴서 소자(4)에 접속되고, 콘덴서 소자(4)의 일단부면으로부터 돌출되어 있다. 콘덴서 소자(4) 및 단자 리드(6)의 일부는 외장 케이스의 내부에 삽입된다. 외장 케이스의 개구부에 밀봉 부재가 설치되어, 외장 케이스의 내부가 밀봉된다. 즉, 콘덴서 소자(4) 및 단자 리드(6)의 일부는 외장 케이스의 내부에 밀봉된다. 단자 리드(6)는, 밀봉 부재의 관통 구멍을 관통하여, 밀봉 부재로부터 돌출된다.
콘덴서 소자(4)는, 양극박(12)과, 음극박(14)과, 세퍼레이터(16)와, 전해질을 포함한다. 양극박(12) 및 음극박(14)은, 각각 다른 단자 리드(6)에 접속되어 있다. 세퍼레이터(16)가 양극박(12)과 음극박(14) 사이에 배치되도록, 양극박(12), 음극박(14) 및 세퍼레이터(16)는 겹침과 함께 권회되어, 권회 소자가 형성된다. 이 권회 소자가 콘덴서 소자(4)를 형성한다. 콘덴서 소자(4) 내의 공극이나 세퍼레이터(16)에는, 전해질이 충전되어 있다. 전해질은, 전해액 또는 겔 전해질이어도 되고, 전해액 및 겔 전해질을 포함해도 되고, 전해액 또는 겔 전해질과 고체 전해질을 포함해도 된다. 고체 전해질은, 예를 들어 도전성 고분자를 포함한다.
양극박(12)은, 콘덴서(2)의 양극 측의 전극을 구성한다. 양극박(12)은, 예를 들어 탄탈박, 알루미늄박 등의 밸브 작용 금속박이며, 예를 들어 띠상의 박이다. 양극박(12)의 표면은, 예를 들어 에칭에 의해 형성된 요철을 가짐과 함께, 예를 들어 화성 처리에 의해 형성된 유전체 산화 피막을 포함하고 있다. 에칭에 의해 형성된 요철은, 예를 들어 다공질 구조를 갖고 있다.
음극박(14)은, 콘덴서(2)의 음극 측의 전극을 구성한다. 음극박(14)은, 예를 들어 띠상의 박이며, 본체 박(18)과 카본층(20)을 포함하고 있다. 본체 박(18)은, 예를 들어 알루미늄박, 탄탈박, 니오븀박, 티탄박, 하프늄박, 지르코늄박, 아연박, 텅스텐박, 비스무트박, 안티몬박 등의 밸브 작용 금속박이다. 본체 박(18)의 표면은, 예를 들어 에칭에 의해 형성된 요철을 갖고, 본체 박(18)의 표면적이 확대되어 있다. 본체 박(18)의 표면은, 예를 들어 터널상 또는 해면상의 에칭 피트를 포함해도 되고, 이 터널상 또는 해면상의 에칭 피트가 요철을 형성해도 된다.
카본층(20)은, 예를 들어 본체 박(18)의 양면에 배치되어 있다. 카본층(20)은, 본체 박(18)의 한 면에만 배치되어도 된다. 카본층(20)은, 본체 박(18)의 요철과 밀착되어 있다. 즉, 카본층(20)이 본체 박(18)의 외측에 배치되고, 음극박(14)은 본체 박(18) 및 카본층(20)에 의한 2층 구조 또는 본체 박(18)의 양면에 카본층(20)을 배치한 3층 구조를 갖고 있다. 카본층(20)은, 주재로서 탄소재를 포함하고, 또한 첨가제로서 바인더 및 분산제를 포함한다.
탄소재는, 예를 들어 구상 탄소이다. 구상 탄소는, 각각 활물질로서 기능한다. 그 때문에, 카본층(20)은, 구상 탄소에 의한 전기 이중층 활물질층을 포함하여, 음극박(14)의 정전 용량을 증가시킨다.
구상 탄소는, 예를 들어 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 채널 블랙, 서멀 블랙 등의 카본 블랙을 포함한다.
탄소재는, 기술된 구상 탄소와 흑연을 포함하는 혼합물이어도 된다. 흑연은, 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연 또는 흑연화 케첸 블랙 등이며, 인편상, 비늘상, 괴상, 토상, 구상 또는 박편상 등의 형상을 갖는다. 흑연은, 인편상 또는 박편상인 것이 바람직하고, 흑연의 짧은 직경과 긴 직경의 애스펙트비가 1:5 내지 1:100의 범위인 것이 바람직하다. 이미 설명한 애스펙트비를 갖는 인편상 또는 박편상의 흑연은, 예를 들어 에칭 피트에 구상 카본을 압입하고, 카본층(20)의 일부가 에칭 피트의 내부까지 형성될 수 있다. 그 때문에, 앵커 효과에 의해, 카본층(20)이 강고하게 본체 박(18)에 밀착될 수 있다.
흑연의 평균 입경이 6㎛ 이상 10㎛ 이하이면, 고온 환경 부하에 의한 정전 용량의 저하를 억제할 수 있는 등의 효과가 얻어진다. 또한, 흑연의 평균 입경이 6㎛ 이하이면, 고온 환경 부하에 의한 정전 용량의 저하를 억제하면서, 콘덴서(2)의 정전 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 흑연의 평균 입경이 6㎛ 이하이면, 흑연을 카본층(20) 내에 잡아 두기 쉬워져, 바인더의 첨가량을 억제할 수 있다. 바인더의 첨가량의 억제에 의해, 탄소재의 비율이 증가한다. 그 때문에, 음극박(14)의 전기 저항을 저감할 수 있고, 콘덴서(2)의 등가 직렬 저항(ESR)을 저감할 수 있다. 또한, 기술된 평균 입경의 수치는 메디안 직경, 소위 D50에 기초한 수치이다.
탄소재가 흑연과 구상 탄소의 혼합물인 경우에 있어서, 흑연과 구상 탄소의 병용에 의한 작용을 얻기 위해, 흑연과 구상 탄소의 혼합물에 대한 흑연의 질량비〔흑연의 질량/(흑연의 질량+구상 탄소의 질량)〕는, 예를 들어 25％ 이상 90％ 이하의 범위이다.
바인더는 예를 들어 스티렌부타디엔 고무, 폴리불화비닐리덴 또는 폴리테트라플루오로에틸렌이며, 흑연과 구상 탄소를 결합시킨다. 분산제는, 예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스나트륨이다. 카본층(20)은, 예를 들어 구상 탄소가 분산된 수용액으로 제작된다. 분산제는, 구상 탄소를 수용액에 분산시킬 수 있다.
세퍼레이터(16)는, 양극박(12)과 음극박(14) 사이에 배치되고, 양극박(12)과 음극박(14) 사이의 단락을 방지한다. 세퍼레이터(16)는, 양극박(12)과, 음극박(14)의 카본층(20)에 접촉한다. 세퍼레이터(16)는, 절연 재료이며, 크라프트, 마닐라 마, 에스파르토, 헴프, 레이온, 셀룰로오스, 이들의 혼합재 등의 세퍼레이터 부재를 포함한다. 세퍼레이터(16)는, 바람직하게는 크라프트를 포함하고, 마닐라 마, 에스파르토, 헴프, 레이온, 셀룰로오스, 이들의 혼합재 등의 다른 세퍼레이터 부재를 포함해도 된다.
세퍼레이터(16)는, 크라프트계의 세퍼레이터(16)인 것이 바람직하다. 크라프트계의 세퍼레이터(16)는, 크라프트만으로 이루어지는 세퍼레이터(16), 크라프트의 함유량이 예를 들어 50질량 퍼센트보다 많은 세퍼레이터(16) 또는 크라프트만 또는 크라프트의 함유량이 예를 들어 50질량 퍼센트보다 많은 크라프트층과, 크라프트 이외의 소재로 이루어지는 비크라프트층을 포함하는 복층 세퍼레이터(16)이다. 이하에 나타내는 제1 실험의 결과로부터, 카본이 부착된 크라프트계의 세퍼레이터(16)는, 카본이 부착된 다른 세퍼레이터(16)에 비하여, 도통 저항의 저하량이 작고, 높은 절연성을 갖는다. 따라서, 카본층(20)이 형성된 음극박(14)를 포함하는 콘덴서(2)에 있어서, 크라프트계의 세퍼레이터(16)는, 다른 세퍼레이터(16)보다 쇼트를 억제하는 효과가 크다고 생각된다.
세퍼레이터(16)는, 이하의 식 (1)을 충족시키는 밀도〔기호: ρ, 단위: g/cm3〕를 갖는 것이 바람직하다.
ρ≥4.0×10-3×WPA
··· (1)
여기서, WPA는, 세퍼레이터 1평방 센티미터당 카본양〔단위: μg/cm2〕이다. WPA는, 예를 들어 콘덴서(2)의 설계 단계에 있어서 설정되는 카본의 설정 부착량이다. 예를 들어 100μg/cm2의 카본이 세퍼레이터(16)에 부착되어도 전극 간의 충분한 절연성을 갖는 콘덴서(2)를 설계하는 경우, WPA는 예를 들어 100μg/cm2으로 설정되고, 세퍼레이터(16)의 밀도는, 이하의 식 (2)로부터, 0.4g/cm3 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
ρ≥4.0×10-3×100=0.4
··· (2)
세퍼레이터(16)의 밀도가 식 (1)을 충족시키면, 이하에 나타내는 제2 실험의 결과로부터, 세퍼레이터(16)의 다양한 종류 및 폭넓은 두께의 범위에 있어서, 전극 간의 큰 쇼트 억제 효과를 기대할 수 있다. 바꾸어 말하면, WPA가 이하의 식 (3)을 충족시키면, 세퍼레이터(16)의 다양한 종류 및 폭넓은 두께의 범위에 있어서, 전극 간의 큰 쇼트 억제 효과를 기대할 수 있다.
WPA≤250ρ
··· (3)
또한, 질량의 단위의 통일을 위해, WPA가 단위 「g/cm2」에 의해 표시되는 경우, 식 (1), 식 (3)은 각각 식 (4), 식 (5)가 된다.
ρ≥4.0×103×WPA
··· (4)
WPA≤2.5×10-4×ρ
··· (5)
WPA는, 콘덴서(2)의 설계 단계에 있어서의 이미 설명한 설정 부착량이어도 되고, 콘덴서(2)에 있어서의 실제의 카본 부착량 또는 실제의 카본 부착량보다 많은 양이어도 된다.
단자 리드(6)는, 예를 들어 도전성이 좋은 금속으로 형성되어 있다. 한쪽의 단자 리드(6)는 양극 측 단자이며, 양극박(12)에 예를 들어 냉간 압접이나 스티치 접속에 의해 접속되어 있다. 다른 쪽의 단자 리드(6)는 음극 측 단자이며, 음극박(14)에 예를 들어 냉간 압접이나 스티치 접속에 의해 접속되어 있다.
밀봉 부재는, 예를 들어 절연성 고무로 형성되어 있다. 밀봉 부재는 단자 리드(6)에 대응하는 위치에 삽입 관통 구멍을 갖고 있다. 콘덴서 소자(4)의 단자 리드(6)가 밀봉 부재의 삽입 관통 구멍을 관통하여, 콘덴서(2)의 외측으로 노출되어 있다.
외장 케이스는, 예를 들어 바닥이 있는 통 형상의 알루미늄 케이스이다.
〔콘덴서의 제조 공정〕
콘덴서(2)의 제조 공정은, 본 개시의 콘덴서 제조 방법의 일 예이며, 예를 들어 양극박(12)의 제작 공정, 음극박(14)의 제작 공정, 세퍼레이터(16)의 제작 공정, 콘덴서 소자(4)의 제작 공정, 콘덴서 소자(4)의 봉입 공정을 포함한다.
양극박(12)의 제작 공정에서는, 탄탈박, 알루미늄박 등의 밸브 작용 금속박의 표면을 에칭하여, 밸브 작용 금속박의 표면에 요철을 형성한다. 에칭 처리 후의 밸브 작용 금속박을 화성 처리하여, 밸브 작용 금속박의 표면에 유전체 산화 피막을 형성한다. 밸브 작용 금속박은, 예를 들어 염산, 식염 등의 염화물 수용액에 침지된 밸브 작용 금속박에 전류를 인가함으로써, 에칭된다. 인가되는 전류는, 직류여도 되고, 교류여도 된다. 밸브 작용 금속박은, 예를 들어 붕산 암모늄, 붕산 암모늄, 인산 암모늄, 아디프산 암모늄 등의 용액을 포함하는 전해액에 침지된 밸브 작용 금속박에 전압을 인가함으로써, 화성된다. 화성된 밸브 작용 금속박을 재단하여, 양극박(12)이 제작된다.
음극박(14)의 제작 공정에서는, 알루미늄박, 탄탈박, 니오븀박, 티탄박, 하프늄박, 지르코늄박, 아연박, 텅스텐박, 비스무트박, 안티몬박 등의 밸브 작용 금속박의 표면을 에칭하여, 밸브 작용 금속박의 표면에 요철을 형성한다. 음극박(14) 측의 에칭은, 양극박(12) 측의 에칭과 동일해도 되고, 달라도 된다. 에칭 처리 후의 밸브 작용 금속박에 카본층(20)을 형성하고, 카본층(20)이 형성된 밸브 작용 금속박을 재단하여, 음극박(14)이 제작된다.
카본층(20)은 다음과 같이 제작된다. 이미 설명한 탄소재, 바인더 및 분산제를 희석액에 더하여, 믹서, 제트 믹싱(분류 충합), 초원심 처리, 초음파 처리 등의 분산 처리에 의해 이들을 혼합하여, 슬러리를 형성한다. 바인더는 예를 들어 탄소재의 결합을 위해 필요한 양만큼 첨가되고, 분산제는, 예를 들어 탄소재의 분산을 위해 필요한 양만큼 첨가된다. 그 때문에, 바인더 및 분산제의 첨가량은, 탄소재의 첨가량보다 미량이다. 탄소재로서 흑연을 사용하는 경우, 흑연은, 비즈 밀, 볼 밀 등의 분쇄기에 의해 분쇄하여, 흑연의 평균 입경이, 희석액에의 첨가 전에 조정되어 있어도 된다.
희석액은, 예를 들어 알코올, 탄화수소계 용매, 방향족계 용매, 아미드계 용매, 물 및 이들의 혼합물 등이다. 알코올은, 예를 들어 메탄올, 에탄올 또는 2-프로판올이다. 아미드계 용매는, 예를 들어 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 또는 N,N-디메틸포름아미드(DMF)이다.
슬러리를 에칭 처리 후의 밸브 작용 금속박에 도포한다. 슬러리를 건조시킨 후, 슬러리를 프레스한다. 프레스에 의해, 탄소재가 정렬된다. 탄소재가 흑연을 포함하는 경우, 프레스에 의해, 흑연이 정렬됨과 함께, 흑연이 밸브 작용 금속박의 요철에 따르도록 변형된다. 또한, 흑연이 요철에 압접될 때 구상 탄소가 밸브 작용 금속박의 세공의 내부에 압입된다. 이에 의해, 슬러리가 밸브 작용 금속박에 밀착되어, 본체 박(18)에 밀착되는 카본층(20)이 얻어진다.
세퍼레이터(16)의 제작 공정에서는, 기술된 세퍼레이터 부재를 재단하여, 세퍼레이터(16)가 제작된다.
또한, 콘덴서(2)의 설계 단계에 있어서, 카본층(20)으로부터 이탈하는 이탈 카본의 최대량 또는 허용량을 설정해도 되고, 이 최대량 또는 허용량으로부터 이미 설명한 설정 부착량을 설정해도 되고, 설정 부착량 및 기술된 식 (1)로부터 세퍼레이터(16)의 밀도를 설정해도 된다. 그리고, 세퍼레이터(16)의 제작 공정에서는, 설정된 밀도를 갖는 세퍼레이터(16)를 제작해도 된다.
콘덴서 소자(4)의 제작 공정에서는, 단자 리드(6)를 양극박(12) 및 음극박(14)에 각각 접속한다. 제1 세퍼레이터(16)를 양극박(12) 및 음극박(14) 사이에 배치함과 함께 제2 세퍼레이터(16)를 양극박(12) 또는 음극박(14)의 외측에 배치한다. 양극박(12), 음극박(14), 제1 및 제2 세퍼레이터(16)를 권회하여, 콘덴서 소자(4)가 제작된다.
콘덴서 소자(4)의 봉입 공정에서는, 전해액 등의 전해질이 함침된 콘덴서 소자(4)가 외장 케이스의 내부에 삽입되고, 그 후 외장 케이스의 개구부에 밀봉 부재가 설치되어, 콘덴서(2)가 제작된다.
〔제1 실험예〕
제1 실험에서는, 카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)(도 2)의 도통 저항을 확인하였다. 카본(26)은, 카본층(20)으로부터 탈락하는 탈락 카본의 대체물이다.
카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)를 제작하기 위해, 표 1에 나타내는 고형분 농도를 갖는 슬러리 1 내지 10을 준비한다. 슬러리 1 내지 10의 성분은, 이하와 같다.
카본
:
카본 블랙의 분말
바인더
:
스티렌부타디엔 고무
분산제
:
카르복시메틸셀룰로오스나트륨 수용액
희석액
:
순수
바인더 및 분산제의 첨가량은, 카본의 첨가량에 비하여 충분히 적다. 그 때문에, 슬러리 1 내지 10의 고형분의 양은, 카본의 양과 동등한 것으로 간주할 수 있다.
[표 1]
실험 세퍼레이터(32)의 한 변이 1센티미터인 정사각형의 표면에, 슬러리 1 내지 10 중 어느 것을 10μL(마이크로리터) 균등하게 적하하고, 실험 세퍼레이터(32) 및 슬러리를 80℃로 가열하여, 카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)를 얻는다. 실험 세퍼레이터(32)는, 표 2에 나타내는 세퍼레이터 S1 내지 S18(닛폰 코도시 고교 가부시키가이샤제) 중 어느 것이다. 슬러리 1 내지 10의 고형분 농도가 낮으므로, 슬러리 1 내지 10의 비중은 물의 비중과 동등한 것으로 간주할 수 있다. 그 때문에, 세퍼레이터에 10μL의 각 슬러리 1 내지 10을 적하했을 때의 카본 부착량 CA는, 표 1에 나타내는 양으로 간주할 수 있다.
[표 2]
또한, 세퍼레이터의 재질은 이하와 같다.
세퍼레이터 S1 내지 S6
:
크라프트
세퍼레이터 S7
:
(고밀도 측) 크라프트의 초지
(저밀도 측) 코튼 린터와 헴프의 혼초지
세퍼레이터 S8
:
마닐라 마와 에스파르토의 혼초지
세퍼레이터 S9
:
마닐라 마
세퍼레이터 S10 내지 S13
:
마닐라 마와 에스파르토의 혼초지
세퍼레이터 S14
:
나일론 섬유와 피브릴화 아크릴 섬유의 혼초지
세퍼레이터 S15 내지 S18
:
특수 레이온
또한, 세퍼레이터 S7의 크라프트 초지와, 세퍼레이터 S14의 혼초지의 양극박 대향면에는, 폴리비닐알코올(PVA)이 도포 시공되어 있다.
도 2는 도통 저항의 측정 예를 나타내고 있다. 도 2에 있어서, 클립에 의한 고정이 생략되어 있다.
카본(26)이 부착되어 있는 실험 세퍼레이터(32)를 상하로부터 2매의 구리박(34)의 사이에 끼우고, 실험 세퍼레이터(32) 및 구리박(34)을 2매의 슬라이드 글래스(36) 사이에 끼우고, 슬라이드 글래스(36)를 클립으로 고정하여, 실험 시료(38)를 얻는다. 2매의 구리박(34)이 서로 직접 접촉하지 않도록, 실험 세퍼레이터(32)는 적어도 1매의 구리박(34)의 외측으로 돌출되어 있다.
절연 저항계를 2매의 구리박(34)에 접속하여, 실험 시료(38)의 저항값(도통 저항값)을 측정한다. 실험 세퍼레이터(32)만이 구리박(34)의 사이에 배치되어 있는 부분에서는, 저항값은 계측의 범위 외, 예를 들어 500MΩ(메가옴) 이상이 된다. 그래서, 실험 시료(38)의 저항값을 측정함으로써, 카본(26)이 세퍼레이터의 절연성에 미치는 영향을 파악할 수 있다.
도 3은 실험 시료의 도통 저항값의 표를 나타내고 있다. 도 4의 A 및 도 4의 B는, 실험 시료의 도통 저항값의 그래프를 나타내고 있다. 도 4의 A에서는, 각 세퍼레이터 S1, S8을 포함하는 실험 시료(38)의 도통 저항값이 나타내어지고, 도 4의 B에서는, 각 세퍼레이터 S2, S9를 포함하는 실험 시료(38)의 도통 저항값이 나타내어져 있다. 도 3에 있어서 「O.R.」은, 도통 저항값이 500MΩ을 초과하여, 계측의 범위 외를 나타내는 「out of range」의 생략 표기이다. 또한 도 3에 있어서, 예를 들어 1MΩ, 100MΩ은, 각각 「1.00. E+06」, 「1.00. E+08」로 표시되어 있다.
제1 실험에서는, 도 3에 나타내어져 있는 표에서, 세퍼레이터 S2 내지 S7(크라프트지)의 도통 저항값이 높다는 것을 알 수 있었다. 저밀도(0.5g/cm3) 또한 얇은(30㎛) 세퍼레이터 S1 및 가장 두꺼운 세퍼레이터 S18의 결과를 제외하면, 크라프트계의 세퍼레이터 S2 내지 S7만이, 0 내지 125μg/cm2의 범위의 카본 부착량 CA에 있어서, 도통 저항값이 모두 「O.R.」(계측의 범위 외), 즉 500MΩ 초과가 된다는 것을 알 수 있었다. 크라프트계의 세퍼레이터 S2 내지 S7에서는, 카본 분말이 세퍼레이터의 표면으로부터 이면으로 투과하지 않는 것이 생각되고, 절연성이 저하되지 않는 것으로 생각된다.
도 4의 A에서는, 세퍼레이터의 재질이 다르고 30㎛의 두께를 갖는 세퍼레이터 S1, S8(밀도: 0.5g/cm3)이 비교되고, 도 4의 B에서는, 세퍼레이터의 재질이 다르고 60㎛의 두께를 갖는 세퍼레이터 S2, S9(밀도: 0.5g/cm3)가 비교되고 있다. 도 4의 A에 나타내어져 있는 그래프로부터, 30㎛의 두께에 있어서, 세퍼레이터 S1(크라프트지)과 세퍼레이터 S8(마닐라지)의 도통 저항값은, 약간 괴리되어 있기는 하지만, 전체적으로 근사하다는 것을 알 수 있었다. 세퍼레이터 S1과 세퍼레이터 S8의 사이에 큰 차는 보이지 않았다. 그러나, 도 4의 B에 나타내어져 있는 그래프로부터, 60㎛의 두께 또한 37.5μg/cm2 이상의 카본 부착량 CA에 있어서, 세퍼레이터 S2(크라프트지)는 세퍼레이터 S9(마닐라지)보다 큰 도통 저항값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 특히, 세퍼레이터 S2(크라프트지)는 125μg/cm2 이하의 카본 부착량 CA에 있어서 「O.R.」(계측의 범위 외)이며, 현저한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 제1 실험에서는, 크라프트계의 세퍼레이터는 마닐라계의 세퍼레이터보다 절연성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
마닐라지 또한 0.5g/cm3의 밀도에 있어서, 세퍼레이터 S9(두께: 60㎛)는 세퍼레이터 S2(두께: 30㎛)보다 전체적으로 큰 도통 저항값을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 세퍼레이터의 두께가 도통 저항값에 영향을 미치는 것으로 생각된다.
크라프트지 또한 0.5g/cm3의 밀도에 있어서, 세퍼레이터 S1(두께: 30㎛)의 도통 저항값은, 카본 부착량 CA의 증가에 의해 크게 저하되는 것에 반해, 세퍼레이터 S2(두께: 60㎛)의 도통 저항값은, 것의 저하되지 않는다는 것을 알 수 있었다. 얇은 세퍼레이터 S1에서는, 세퍼레이터의 핀홀이 도통 저항값에 영향을 미치는 것으로 생각된다.
제1 실험에서 이하의 실험 결과가 얻어졌다.
크라프트계의 세퍼레이터: 두께나 밀도가 큰 세퍼레이터에서는, 도통 저항값이 낮아지기 어렵다. 즉, 핀홀의 영향이 적고 카본(26)이 투과하지 않는다. 두께나 밀도가 작은 세퍼레이터에서는, 단숨에 도통 저항값이 낮아진다. 즉, 핀홀의 영향으로 인해, 카본(26)이 투과하기 쉽다.
마닐라계의 세퍼레이터: 두께나 밀도에 비례 또는 거의 비례하여, 카본(26)이 투과하기 어려워진다. 두께나 밀도가 어떤 값보다 낮아지면, 도통 저항값이 단숨에 낮아지는 현상은 보이지 않는다.
세퍼레이터가 동일한 밀도(0.5g/cm3)와 동일한 두께(30㎛)를 갖는 경우, 크라프트계의 세퍼레이터도 마닐라계의 세퍼레이터도 동일 정도까지 도통 저항값이 저하되어 있다. 그러나, 세퍼레이터가 동일한 밀도(0.5g/cm3)와 동일한 두께(60㎛)를 갖는 경우, 크라프트계의 세퍼레이터는 마닐라계의 세퍼레이터보다 도통 저항값이 높다. 따라서, 제1 실험에 의하면, 카본층(20)을 포함하는 콘덴서(2)에 있어서, 크라프트계의 세퍼레이터(16)를 사용함으로써 전극 간의 큰 쇼트 억제 효과를 기대할 수 있다.
〔제2 실험의 예〕
제2 실험에서는, 세퍼레이터(16)의 밀도의 바람직한 범위를 확인하기 위해, 제1 실험에서 기술한 카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)의 시트 저항차를 확인하였다. 카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)는, 제1 실험과 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.
카본(26)이 부착된 실험 세퍼레이터(32)의 제1 및 제2 면의 시트 저항(표면 저항률)을 측정하고, 시트 저항의 차(이하, 「시트 저항차」라고 함)를 구한다. 여기서, 제1 면은, 슬러리가 도포되어 카본(26)이 부착되어 있는 면이며, 제2 면은 제1 면의 반대면이다.
제1 면의 시트 저항은, 카본(26)의 중심부에 이하의 저항률계의 4단침 프로브를 대고 누름으로써 측정된다. 제2 면의 시트 저항은, 이미 설명한 중심부에 대응하는 부위에 이하의 저항률계의 4단침 프로브를 대고 누름으로써 측정된다.
저항률계
측정기: 로레스타 GP
형식: MCP-T600
측정 가능 레인지: 100MΩ/sq. 이하
도 5는 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항 및 시트 저항차의 표를 나타내고 있다. 도 6은 카본이 부착된 실험 세퍼레이터의 시트 저항차의 그래프를 나타내고 있다. 도 5 및 도 6에서는, 각 세퍼레이터 S2, S3, S4, S6, S7, S10, S11, S12, S14의 실험 결과가 나타내어져 있다.
제2 실험에서는, 카본 부착량 CA가 100μg/cm2인 경우, 0.4g/cm3 이상의 밀도를 갖는 세퍼레이터 S2, S3, S4, S6, S7, S11, S12에 있어서, 시트 저항차가 동일한 정도로 높다는 것을 알 수 있었다. 또한, 제2 실험에서는, 카본 부착량 CA가 125μg/cm2인 경우, 0.5g/cm3 이상의 밀도를 갖는 세퍼레이터 S2, S3, S4, S6, S7에 있어서, 시트 저항차가 동일한 정도로 높다는 것을 알 수 있었다. 제2 실험에 의하면, 이미 설명한 식 (1), 식 (4)에 나타내어져 있는 밀도에 있어서, 실험 세퍼레이터(32)의 시트 저항차가 최대 또는 거의 최대가 되어, 세퍼레이터의 분류나 두께에 관계없이, 쇼트 억제가 우수한 콘덴서를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태에 따르면, 예를 들어 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 크라프트계의 세퍼레이터(16)는, 이 크라프트계의 세퍼레이터(16)와 동일한 밀도 및 동일한 두께를 갖는 다른 종이 종류의 세퍼레이터(16)보다 큰 쇼트 억제 효과를 제공 가능하다. 그 때문에 크라프트계의 세퍼레이터(16)는, 세퍼레이터에 부착된 카본에 의한 절연성의 저하 억제라는 이질적인 효과를 갖고, 다른 세퍼레이터(16)보다 카본층(20)이 형성된 음극박(14)를 포함하는 콘덴서(2)에 적합하다.
(2) 세퍼레이터(16)가 4.0×10-3×WPA 이상의 밀도를 가지면, 세퍼레이터(16)가 다양한 종류 및 폭넓은 두께의 범위에 있어서, 콘덴서(2)의 전극 간의 큰 쇼트 억제 효과를 제공 가능하다. 그러한 밀도를 갖는 세퍼레이터(16)는, 세퍼레이터에 부착된 카본에 의한 절연성의 저하 억제라는 이질적인 효과를 갖고, 카본층(20)이 형성된 음극박(14)를 포함하는 콘덴서(2)에 적합하다.
이상 설명한 실시 형태에 대하여, 그 특징 사항이나 변형예를 이하에 열거한다.
(1) 상기 실시 형태에서는, 콘덴서 소자(4)는 권회 소자이다. 그러나, 콘덴서 소자(4)는, 예를 들어 평탄한 복수의 양극박, 음극박 및 세퍼레이터가 적층된 적층 소자여도 된다.
(2) 양극박(12), 음극박(14), 세퍼레이터(16), 외장 케이스, 밀봉 부재 및 전해질의 소재는 상기 실시 형태에서 기술한 것에 한정되지는 않는다. 이들 소재는, 알루미늄 전해 콘덴서 또는 유사한 콘덴서에서 채용되고 있는 다른 소재여도 된다. 예를 들어, 알루미늄제의 탭 형상의 인출 단자를 초음파 접속한 양극박과 음극체 사이에 세퍼레이터를 끼우고 이들을 권회하여 콘덴서 소자를 형성해도 된다. 외부 단자를 설치한 페놀 적층판을 밀봉 부재로서 사용해도 되고, 상술한 콘덴서 소자에 전해액을 함침시킨 후, 콘덴서 소자로부터 도출된 인출 단자를 밀봉 부재의 외부 단자에 접속해도 되고, 콘덴서 소자 및 밀봉 부재를 외장 케이스에 삽입하고, 밀봉 부재로 밀봉한 구조로 해도 된다. 또한, 카본층(20)의 소재는 상기 실시 형태에서 기술한 것에 한정되지는 않는다. 카본층(20)을 형성하는 소재는, 임의의 도전성 부재여도 된다.
(3) 세퍼레이터(16)는, 기술된 세퍼레이터 부재 이외의 부재를 포함해도 된다. 세퍼레이터(16)는, 음극박(14)에 접촉하는 음극 측 표면에, 예를 들어 음극박(14)으로부터 이탈하는 이탈 카본을 포함해도 된다. 상기 실시 형태에서 이미 설명한 세퍼레이터(16)는, 이탈 카본 등의 카본(26)이 부착되어 있어도, 세퍼레이터(16)의 절연 기능을 유지할 수 있다. 또한, 이미 설명한 제1 실험에서, 카본 부착량 CA가 37.5μg/cm2 미만이면, 모든 실험 시료(38)의 도통 저항값이 100MΩ 이상이 된다는 것을 알 수 있다. 즉 카본 부착량 CA가 37.5μg/cm2 미만이면 세퍼레이터(16)가 콘덴서(2)의 기능에 미치는 영향을 작게 할 수 있다. 이탈 카본은, 음극 측 표면의 전체에 배치되어도 되고, 상기 음극 측 표면에 부분적으로 배치되어도 된다.
세퍼레이터(16)에 부착되어 있는 카본양은, 예를 들어 다음에 나타내는 방법에 의해 특정할 수 있다. 즉, 콘덴서(2)로부터 빼낸 세퍼레이터(16)를 예를 들어 에탄올로 세정하여, 세퍼레이터(16)로부터 전해액을 제거한다. 전해액이 제거된 세퍼레이터(16)를 건조시킨다. 건조시킨 세퍼레이터(16)를 예를 들어 열중량 분석(TGA) 또는 열중량-시차 열분석(TG-DTA) 등의 기존의 분석법으로 열분석하여, 카본(26)의 부착량(중량 또는 질량)을 특정한다. 얻어진 중량 또는 질량을 세퍼레이터(16)의 분석된 면적으로 나눔으로써 세퍼레이터 1평방 센티미터당 카본양을 특정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 가장 바람직한 실시 형태 등에 대하여 설명했지만, 본 개시는, 상기 기재에 한정되는 것은 아니며, 청구 범위에 기재되거나, 또는 명세서에 개시된 발명의 요지에 기초하여, 당업자에 있어서 다양한 변형이나 변경이 가능한 것은 물론이며, 이러한 변형이나 변경이, 본 개시의 범위에 포함되는 것은 말할 것도 없다.
본 개시의 기술은, 카본 등의 도전성 부재를 포함하는 전극의 절연에 사용할 수 있어, 유용하다.
2: 콘덴서
4: 콘덴서 소자
6: 단자 리드
12: 양극박
14: 음극박
16: 세퍼레이터
18: 본체 박
20: 카본층
4: 콘덴서 소자
6: 단자 리드
12: 양극박
14: 음극박
16: 세퍼레이터
18: 본체 박
20: 카본층
Claims (5)
- 양극박, 음극박, 및 상기 양극박과 상기 음극박의 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 콘덴서이며,
상기 음극박은 카본층을 포함하고,
상기 세퍼레이터는 상기 카본층에 접촉하고, 이하의 식을 충족시키는 밀도〔기호: ρ, 단위: g/cm3〕를 갖는 것을 특징으로 하는 콘덴서,
ρ≥4.0×10-3×WPA
여기서, WPA는, 세퍼레이터 1평방 센티미터당 카본양〔단위: μg/cm2〕이다. - 제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 상기 카본층에 접촉하는 크라프트계의 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 콘덴서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 세퍼레이터는, 상기 음극박에 접촉하는 음극 측 표면에 상기 카본양 이하의 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서. - 제3항에 있어서,
상기 카본은, 상기 음극 측 표면에만 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴서. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 카본은, 상기 음극 측 표면의 전체에 배치되거나, 또는 상기 음극 측 표면에 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 콘덴서.
Applications Claiming Priority (5)
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| EP2779188A4 (en) * | 2011-11-11 | 2016-11-16 | Nippon Kodoshi Corp | SEPARATOR FOR ELECTROLYTIC CAPACITOR AND ELECTROLYTIC CAPACITOR |
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2022
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Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022172720A1 (ja) | 2022-08-18 |
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