TWI398888B - 電解電容器之電極 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電解電容器之電極，特別是指一種披覆有金屬氧化物之電解電容器電極。
在鋁電解電容器的結構中，通常係使用鋁箔作為陽極與陰極電極，其中陽極鋁箔和陰極鋁箔係經過蝕刻形成多孔性結構藉以提高電極表面積。該多孔性電極再經電化學化成處理，成長氧化鋁作為介電層之用。電容器之容量主要是依據下關係式計算C＝ε(A/d)
(其中，C為電容量，ε
為介電常數，A
為電極表面積，以及d
為介電層厚度)。因此，電容器之電極，特別是陽極電極，經化成後所形成之氧化介電層的特性即為決定所能表現出來的電容量之關鍵因素。
通常，在鋁電解電容器之架構中，所使用之鋁陽極箔的介電層組成皆為氧化鋁，氧化鋁之介電常數約為8~12。若欲提昇電解電容器之電容量，理論上可以藉由增加電極表面積A
、降低介電層厚度d
、改變介電常數ε
三種方式進行。然而，由於目前所使用的鋁陽極箔在電蝕化成技術，已無法大幅提昇電容量。若進一步蝕刻電蝕鋁箔藉由增加表面積以提昇電容量，恐將使鋁箔強度不足而造成斷裂。另一方面，藉由改變化成條件降低介電層厚度提昇電容量，則無法得到穩定的介電層。因此，無論是藉由進一步電蝕技術增加表面積或是控制化成條件以降低介電層厚度，均具有相當之困難點。
再者，由於電容器之容量與材料之介電常數成正比，藉由高介電常數物質之引入，在結構中引入包含鈦、鋯、鉿、鈮、鉭等閥金屬之氧化物中，具有高介電常數者，例如五氧化二鉭(介電常數26~27)、五氧化二鈮(介電常數41~42)、二氧化鈦(介電常數40~100)，甚至於鈦鋇氧化衍生物(介電常數約數百~數千)取代既有的單一氧化鋁，則可進一步提昇陽極電容量。
日本公開公報特開平05－009710揭示一種在鋁箔上利用蒸鍍法成長鈮及其氧化物之方法，然而該製程係利用陰極電弧電漿鍍膜(Cathodic arc plasma deposition)，必須耗費昂貴的製造設備，不利於成本。日本公開公報2000－012402揭露一種在鋁的熔鑄過程中加入各種含閥金屬之氧化物、氮化物或碳化物粒子之方法，然而該方法必須透過繁雜的高溫製造程序，且不易使粒子均勻分佈於於基材中。日本公開公報特開2000－012400揭示將各種含閥金屬之氧化物、氮化物或碳化物粒子與黏結劑混合塗布於鋁箔上以提昇電容量，然而其粒子與粒子間及粒子與基材間僅以物理方法黏著，具有粒子脫落或與基材剝離之缺點。
有鑑於此，仍需要一種製程簡單且基材表面披覆物不易剝離之高電容電解電容器電極。
有鑒於上述問題，本發明之主要目的即係在於提供一種高電容量之電解電容器電極。
本發明之另一目的係提供一種基材表面披覆物不易剝離之電解電容器電極。
本發明之又一目的係提供一種利用簡單方法即可製得且具有高電容量之電解電容器電極。
為達上述及其他目的，本發明提供一種電解電容器之電極，包含基材以及形成於基材表面之金屬氧化物，其中，該金屬氧化物係由前驅物與基材表面之官能基進行化學反應，藉由化學鍵結形成於該基材表面。該電極基材表面披覆有金屬氧化物，可以有效提高電極電容量，且該金屬氧化物係藉由化學鍵結形成於該基材表面，具有不易剝離之優點，特別適合用作為電解電容器之電極。
本發明之電解電容器電極，包括基材以及經由化學鍵結形成於該基材表面之金屬氧化物。於一具體實例中，係使用多孔性鋁箔基材，例如電蝕鋁電極箔或電蝕化成鋁電極箔作為電極基材。由於該鋁箔基材具有大量羥基官能基，且該官能基係以氫氧化鋁之型態存在於鋁箔基材表面。該鋁箔基材與對羥基具有反應性之前驅物接觸後，可形成Al－O－M之結構(式中，M為金屬)，經熱處理即可轉變為含有Al與M之氧化物，而形成披覆於基材表面之金屬氧化物。
該鋁箔基材與前驅物之接觸方式並無特別限制，於一具體實例中，係先將前驅物調製為溶液，利用注入、噴灑、含浸、或氣相接觸的方式，使基材與前驅物充分接觸而於鋁箔基材表面形成Al－O－M結構。於本發明電解電容器電極之基材表面形成金屬氧化物之熱處理通常係於30至600℃之條件下進行，較佳係於100至500℃之條件下進行。
本發明用以與鋁箔基材接觸且對羥基具有反應性之前驅物係具有下式(I)所示結構之金屬烷氧化物：M(OR)n (I)
M係表示Al、Ba、Ti、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Si、或Sn金屬；R係表示－CH3
、－C2
H5
、－(n－C3
H7
)、－(i－C3
H7
)、－(n－C4
H9
)、－(i－C4
H9
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)3
等；以及n為1至6之整數。該金屬烷氧化物可直接與鋁箔基材表面之OH官能基進行反應，或透過水解反應產生M(OH)n後，再與含OH官能基之鋁箔基材進行反應。該金屬烷氧化物係以具有介電特性之閥金屬烷氧化物較佳，其實例包括鈦、鈮、鋯、鉿、鉭、鋁之金屬烷氧化物，較佳為鈦、或鈮之金屬烷氧化物，特別適用於電容器電極之鋁箔基材改質。
藉由將高介電常數金屬氧化層披覆於鋁箔基材表面，可以有效提高電極電容量。該高介電常數金屬氧化物係具有高於氧化鋁之介電常數，其實例包括，但非限於鈦氧化物、鈮氧化物、鋯氧化物、鉿氧化物、鉭氧化物、鋁氧化物、鈦鋇氧化衍生物、或其組合。本發明之電極中，基材表面之金屬氧化物係經由金屬烷氧化物前驅物與鋁箔基材進行反應，而以化學鍵結形成於該基材表面，可以利用簡單方法獲得具有高電容量之電解電容器電極。
以下係藉由特定之具體實施例進一步說明本發明之特點與功效，但非用於限制本發明之範疇。
比較例1使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材，於空氣進行熱處理30分鐘。將熱處理後所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量，結果記錄於表1。
實施例1配製Nb(OC2
H5
)5
之乙醇溶液(Nb(OC2
H5
)5
：乙醇＝1：19)作為前驅物溶液，使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材。將前驅物溶液導入基材中使兩者接觸，待基材與前驅物溶液進行反應後，於空氣中進行熱處理30分鐘，使鋁箔基材表面形成鈮氧化物層。將所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量，結果記錄於表1。
實施例2配製Ti(i－OC3
H7
)4
之異丙醇溶液(Ti(i－OC3
H7
)4
：異丙醇＝1：19)作為前驅物溶液，使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材。將前驅物溶液導入基材中使兩者接觸，待基材與前驅物溶液進行反應後，於空氣中進行熱處理30分鐘，使鋁箔基材表面形成鈦氧化物層。將所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量，結果記錄於表1。
由上述實驗結果顯示，經與前驅物進行反應後熱處理形成金屬氧化物層之改質型鋁箔電極相較於未經前驅物處理之鋁箔電極，其電容量方面有2.8至4.4%之增加。
比較例2使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材，於空氣中進行熱處理30分鐘後，再重複進行熱處理步驟。將熱處理後所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量，其電容量C0訂為100%基準，結果記錄於表2。
實施例3配製Nb(OC2
H5
)5
乙醇溶液作為前驅物溶液，使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材。將前驅物溶液導入基材中使兩者接觸，待基材與前驅物溶液進行反應後，於空氣中進行熱處理30分鐘，重複進行前述反應與熱處理步驟，使鋁箔基材表面形成鈮氧化物層。將所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量C，與基準電容量C0相較，結果記錄於表2。
實施例4配製Ti(i－OC3
H7
)4
異丙醇溶液作為前驅物溶液，使用1公分×5公分之多孔性鋁箔(KDK U157)作為電極基材。將前驅物溶液導入基材中使兩者接觸，待基材與前驅物溶液進行反應後，於空氣中加熱進行熱處理30分鐘，重複進行前述反應與熱處理步驟，使鋁箔基材表面形成鈦氧化物層。將所獲得之電極箔置於15重量%之己二酸銨水溶液中量測120Hz之電容量C，與基準電容量C0相較，結果記錄於表2。
表2結果顯示，形成鈦氧化物層之改質型鋁箔電極中，採用重複與前驅物反應後進行熱處理程序者，其電極電容量相較於未披覆金屬氧化物層之鋁箔電極，其電極電容量呈現較明顯的增加效益。
實施例5重複實施例4之步驟，提高前驅物溶液濃度為2倍，結果記錄於表3。
實施例6重複實施例4之步驟，提高前驅物溶液濃度為3倍，結果記錄於表3。
實施例7重複實施例4之步驟，提高前驅物溶液濃度為5倍，結果記錄於表3。
結果顯示，隨著所使用的前驅物濃度提高，可得到較高之電容量表現。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，並非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
Claims (4)
- 一種電解電容器之電極，包括鋁基材以及形成於該鋁基材表面之金屬氧化物，其中，該金屬氧化物係由前驅物溶液與該鋁基材表面之羥基官能基進行化學反應，藉由化學鍵結形成於該鋁基材表面，該前驅物溶液係由M(OR)n結構的金屬烷氧化物及選自乙醇或異丙醇的醇類所組成，其中，M選自鋇、鈦、釩、鋯、鉿、鈮、鉭、鉬、鎢、矽或錫，R為-CH3 、-C2 H5 、-(n-C3 H7 )、-(i-C3 H7 )、-(n-C4 H9 )、-(i-C4 H9 )或-C(CH3 )3 ，且n為1至6之整數，而該金屬氧化物為Al-O-M的結構。
- 如申請專利範圍第1項之電極，其中，該鋁基材係多孔性鋁箔。
- 如申請專利範圍第1項之電極，其中，該金屬氧化物係具有高於氧化鋁之介電常數。
- 如申請專利範圍第1項之電極，其中，該金屬氧化物係由該前驅物溶液與該鋁基材表面之羥基官能基進行化學反應後經高溫熱處理所形成者。
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