WO2025192529A1 - 電解コンデンサ及び製造方法 - Google Patents

電解コンデンサ及び製造方法

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WO2025192529A1
WO2025192529A1 PCT/JP2025/008827 JP2025008827W WO2025192529A1 WO 2025192529 A1 WO2025192529 A1 WO 2025192529A1 JP 2025008827 W JP2025008827 W JP 2025008827W WO 2025192529 A1 WO2025192529 A1 WO 2025192529A1
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WO
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electrolyte
elastomer
electrolytic capacitor
acid
examples
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PCT/JP2025/008827
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English (en)
French (fr)
Inventor
秀明 高橋
一平 中村
哲生 前田
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Nippon Chemi Con Corp
Original Assignee
Nippon Chemi Con Corp
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Filing date
Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
    • H01G9/08Housing; Encapsulation
    • H01G9/10Sealing, e.g. of lead-in wires
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/145Liquid electrolytic capacitors

Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic capacitor that obtains capacitance through the dielectric polarization of a dielectric film and stores and discharges electric charge, and to a manufacturing method for such an electrolytic capacitor.
  • Electrolytic capacitors that use valve action metals such as tantalum or aluminum can achieve a small size and large capacitance by enlarging the surface area of the dielectric by sintering the valve action metal used as the anode counter electrode into the form of a sintered body or etched foil. This type of electrolytic capacitor fills the gaps with electrolyte to ensure close contact between the anode's dielectric film and the counter electrode.
  • the electrolyte comes into direct contact with the dielectric film and acts as a true cathode, while also repairing the dielectric film. However, over time, the electrolyte evaporates and escapes to the outside of the electrolytic capacitor. As a result, the capacitance of the electrolytic capacitor decreases over time as it dries out, eventually reaching the end of its life.
  • the capacitor element is housed in a bottomed outer case, and the opening of the outer case is sealed with a sealant.
  • This sealant is tightly attached to the case opening by crimping, and is made of an elastic material with appropriate hardness to improve sealing performance.
  • the sealant contains an elastomer such as butyl rubber. The elastomer is created by vulcanization to cause a cross-linking reaction.
  • the electrolyte is not completely contained within the case, but rather gradually permeates the sealing material and volatilizes out of the electrolytic capacitor. Therefore, it has been proposed to use a solvent with a high boiling point for the electrolyte (see, for example, Patent Document 1).
  • Known high-boiling-point solvents include gamma-butyrolactone, which has a boiling point of 203°C; butanediol, which has a boiling point of 230°C; sulfolane, which has a boiling point of 285°C; ethylene glycol, which has a boiling point of 198°C; and diethylene glycol, which has a boiling point of 244°C.
  • electrolytic capacitors have been required to perform well in high-temperature environments, such as those at 170°C, such as those used in automobiles. Specifically, electrolytic capacitors are required to have a long lifespan, maintaining a certain level of capacitance for long periods of time, even in high-temperature environments.
  • the inventors have confirmed that even if an electrolyte solution is formulated using a solvent with a high boiling point above 170°C, evaporation of the electrolyte solution cannot be suppressed in such high-temperature environments, resulting in a decrease in the capacitance of the electrolytic capacitor.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems, and its purpose is to provide an electrolytic capacitor and a manufacturing method that suppresses capacitance reduction even in high-temperature environments.
  • the electrolytic capacitor of this embodiment comprises a capacitor element having an anode body, a cathode body, an electrolytic solution, and a solid electrolyte, a case that houses the capacitor element, and a sealing body that seals the case, wherein the sealing body has an elastic body containing an elastomer, the elastomer containing butyl rubber and comprising 31 wt% or more of the elastomer relative to the elastic body, and the electrolytic solution contains 40 wt% or more of glycerin, diglycerin, or both in the solvent of the electrolytic solution.
  • the content of the elastomer may be 36 wt% or less relative to the elastic body.
  • the carbon may be carbon black with a dibutyl phthalate absorption of 80 ml/100 g or less.
  • the electrolyte may have an electrolyte loading coefficient R, expressed by the following formula (Equation 1), of 3.93 mg ⁇ mm/mm 2 or more. (Equation 1)
  • This capacitor element is housed in a case.
  • the case is made of aluminum, an aluminum alloy containing aluminum or manganese, or stainless steel, and is, for example, a cylinder with a bottom and an open end.
  • a pressure release valve may be formed at the bottom of the case, which opens when the internal pressure of the case exceeds a set pressure.
  • the opening of the case is sealed by a sealing body.
  • the sealing body is attached to the opening of the case by crimping, and the crimping process bends and crushes the opening of the case inward, tightly sealing the sealing body.
  • the sealing body has an elastic body primarily made of elastomer.
  • the elastic body contains at least butyl rubber as the elastomer.
  • Butyl rubber is also called isobutylene isoprene rubber.
  • regular butyl is preferred as the butyl rubber.
  • the content of the elastomer containing butyl rubber in the elastic body is 31 wt% or more.
  • the electrolyte contains 40 wt% or more of glycerin, diglycerin, or both, based on the total amount of solvent in the electrolyte, and a solid electrolyte is used in addition to the electrolyte.
  • the mechanism of thermal oxidative degradation of the sealant's elastomer is as follows: First, the C-H bonds of the elastomer molecules on the exterior of the case are cleaved, generating radicals. First, these radicals attack other C-H bonds in the elastomer molecules, promoting further cleavage. Second, oxygen is added to these radicals, generating peroxides. These peroxides decompose under heat, accelerating the generation of radicals, which then attack other C-H bonds in the elastomer molecules, promoting further cleavage.
  • the electrolyte causes swelling of the elastic material inside the seal case. This causes contraction and expansion in areas within the seal, leading to cracks in the seal's elastic material.
  • the electrolyte evaporates through the cracks, reducing the capacitance of the electrolytic capacitor.
  • butyl rubber is resistant to electrolyte penetration, suppressing swelling of the inside of the elastomer case. Therefore, in elastomers containing butyl rubber, the difference in volume change between the inside of the case, which swells in response to electrolyte penetration, and the outside of the case, which shrinks due to thermal oxidative degradation, is smaller. Furthermore, when the elastomer content in the elastomer is 31 wt% or more, the bending strain change rate of the elastomer remains within -30%, even when exposed to high-temperature environments for long periods of time. Limiting the bending strain change rate of the elastomer to a decrease of 30% or less maintains flexibility and makes the elastomer less susceptible to cracking. This makes it possible to suppress the evaporation of electrolyte through cracks.
  • the bending strain change rate indicates the change in bending test results before and after long-term exposure to a high-temperature environment.
  • the temperature and time for which the elastic body is exposed in the bending test are 170°C and 1,000 hours.
  • the bending test is a three-point bending test in accordance with JIS K7171. An elastic body test piece measuring 2 mm thick, 40 mm long, and 25 mm wide is prepared and placed on a support with a support distance of 32 mm. In a temperature environment of 170°C, a force is applied to the center of the test piece using an indenter at a test speed of 1 mm/min. The bending strain is then measured until the test piece cracks.
  • the bending strain (%) after long-term exposure to a high-temperature environment is subtracted from the bending strain (%) before long-term exposure to a high-temperature environment, and the percentage of this difference compared to the bending strain (%) before long-term exposure to a high-temperature environment is taken as the bending strain change rate.
  • the solid electrolyte reduces the high resistivity caused by the high viscosity of glycerins, lowering the internal resistance of the electrolytic capacitor.
  • the solid electrolyte is a conductive polymer.
  • the conductivity of the solid electrolyte layer decreases, and the canceling effect of glycerin and diglycerin on the resistivity is weakened.
  • this electrolytic capacitor uses a solid electrolyte in addition to the electrolytic solution.
  • the elastomer of the sealing body may contain, in addition to butyl rubber, elastomers such as ethylene propylene diene rubber (also known as EPDM), styrene butadiene rubber, isoprene rubber, fluororubber, acrylic rubber, natural rubber, or a mixture of these, as long as the butyl rubber content exceeds 50 wt% of the total elastomers contained in the elastomer.
  • the elastomer content in the elastomer is preferably 36 wt% or less.
  • the elastomer of the present invention refers to a polymeric substance exhibiting rubber elasticity and is thermosetting.
  • Butyl rubber is preferably produced by vulcanization.
  • vulcanization include resin vulcanization, sulfur vulcanization, and quinoid vulcanization.
  • vulcanizing agents include alkylphenol resins such as alkylphenol formaldehyde resins, quinoids, and sulfur.
  • crosslinking accelerators include zinc oxide, magnesium oxide, lead peroxide, dibenzothiazyl, disulfides, 1,2-polybutadiene, triallyl cyanurate, metal salts of methacrylic acid and acrylic acid, and ester stearic acid N,N'-metaphenyl dimaleic acid.
  • butyl rubber is preferably crosslinked with alkylphenol resins, which inhibits cleavage of the butyl rubber.
  • the elastomer be a blended rubber made by crosslinking butyl rubber and ethylene propylene rubber through resin vulcanization. This suppresses evaporation of the electrolyte more than when butyl rubber and ethylene propylene rubber are vulcanized separately and then mixed.
  • This blended rubber is made by mixing unvulcanized butyl rubber and unvulcanized ethylene propylene rubber, then adding a resin vulcanizing agent to the mixture, and then pressurizing and heating it.
  • this blended rubber is made by adding unvulcanized butyl rubber, unvulcanized ethylene propylene rubber, and a resin vulcanizing agent, and then pressurizing and heating it.
  • the elastic body may also contain carbon and inorganic fillers.
  • carbon and inorganic fillers make the butyl rubber less likely to cleave, preventing it from softening.
  • examples of carbon include carbon black
  • examples of inorganic fillers include talc, mica, silica, kaolin, titania, alumina, and mixtures of these.
  • the carbon and inorganic filler be contained in a total proportion of 50 wt% or more and 60 wt% or less of the entire elastomer. If the total content of carbon and inorganic filler is 50 wt% or more of the entire elastomer, the elastomer will have even better strength, which will contribute to a lower rate of change in bending strain after exposure to a high-temperature environment. Furthermore, if the total content of carbon and inorganic filler is 60 wt% or less of the entire elastomer, the elastomer will have good flexibility and cracking of the elastomer can be suppressed.
  • the carbon is preferably carbon black with a dibutyl phthalate absorption of 80 ml/100 g or more.
  • Dibutyl phthalate absorption is also called DBP absorption or DBP oil absorption.
  • Carbon black exists as agglomerates in which particles are strongly adhered to one another; these agglomerates are called aggregates and have a structure similar to that of a bunch of grapes.
  • Dibutyl phthalate absorption indicates the ability of the voids within this structure to absorb dibutyl phthalate. In other words, it is an index of the degree of development of the carbon black structure. This dibutyl phthalate absorption can be measured, for example, according to the method for determining oil absorption in JIS standard JIS K 6217-4.
  • the carbon contained in the elastic body of the sealing body is carbon black with a structure that results in a dibutyl phthalate absorption of 80 ml/100 g or less, it not only contributes to a reduction in the rate of change in bending strain after exposure to a high-temperature environment, thereby suppressing the decrease in capacitance, but also significantly reduces the leakage current of the electrolytic capacitor. While this is speculation and not limited to this mechanism, the mechanism behind the leakage current suppression effect is speculated to be as follows:
  • the carbon black has a structure that results in a dibutyl phthalate absorption of 80 ml/100 g or less, the frequency of contact between carbon black aggregates will be kept low, and carbon black linkages will not occur or will be reduced. In other words, no conductive circuits will be formed within the sealant, or the number of parallel conductive circuits within the sealant will be kept low, maintaining the sealant's electrical resistance high. Therefore, not only can the capacitance of the electrolytic capacitor be kept low, but it is presumed that the leakage current of the electrolytic capacitor will also be suppressed. Furthermore, suppressing the leakage current of the electrolytic capacitor will further suppress the decrease in capacitance over time.
  • the sealing body may also be a laminate of an elastomer and a rigid substrate, or the rigid substrate may be enclosed within the elastomer.
  • the rigid substrate is a synthetic resin plate, ceramic plate, or metal plate. Synthetic resin plates are made of, for example, phenolic resin, epoxy resin, or polyethylene sulfide resin. Various resins can be used, including epoxy resin, fluororesin, acrylic resin, polyimide resin, silicone resin, phenolic resin, melamine resin, urethane resin, and unsaturated polyester resin.
  • Metal plates are made of, for example, aluminum, aluminum alloys containing aluminum or manganese, or stainless steel.
  • the rigid substrate improves the airtightness inside the electrolytic capacitor and protects the elastomer from the electrolyte and heat.
  • Monohydric alcohols include ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, cyclobutanol, cyclopentanol, cyclohexanol, and benzyl alcohol.
  • Polyhydric alcohols and oxyalcohol compounds include ethylene glycol, propylene glycol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, methoxypropylene glycol, and dimethoxypropanol.
  • Solvents added other than glycerin and diglycerin are preferably ethylene glycol, sulfolane, or both.
  • the boiling point of ethylene glycol is 198°C.
  • the boiling point of sulfolane is 285°C. Therefore, an electrolyte containing ethylene glycol and sulfolane has an evaporation suppression effect.
  • the concentration of glycerins can be reduced, which reduces the viscosity of the entire electrolyte and the specific resistance of the electrolytic capacitor.
  • the content of glycerins may be 100 wt% or less of the total amount of solvent in the electrolyte, and is preferably 98 wt% or less.
  • the weight of the initial electrolyte is the weight of the electrolyte filled into the electrolytic capacitor during its manufacturing process.
  • This initial electrolyte can be extracted by removing the capacitor elements from an unused electrolytic capacitor and using a centrifuge or similar device. In other words, the amount of water that was mixed in during the manufacturing process of the electrolytic capacitor is also added to the weight of the initial electrolyte.
  • the thickness of the sealing body is the length along the winding axis of the capacitor element, and is the distance the electrolyte inside the electrolytic capacitor must pass through before escaping to the outside.
  • the sealing surface area of the sealing body is the area of the plane extending in a direction perpendicular to the winding axis of the capacitor element, and is the area exposed to the inside of the electrolytic capacitor that the electrolyte inside the electrolytic capacitor can pass through to escape to the outside.
  • this electrolyte loading coefficient R is 3.93 mg mm/mm2 or more , not only is the electrolytic capacitor prevented from decreasing in capacitance due to exposure to a high-temperature environment, but also an increase in resistance at low frequencies, i.e., dielectric loss tangent (tan ⁇ ), can be suppressed.
  • the reason why an increase in tan ⁇ is suppressed when the electrolyte loading coefficient R is 3.93 mg mm/mm2 or more is as follows. That is, first, when the electrolyte evaporates, the amount of electrolyte around the conductive polymer decreases, making it easier for oxygen to reach the conductive polymer without being trapped by the electrolyte. Therefore, when the amount of electrolyte in the capacitor element decreases due to the evaporation of the electrolyte, the conductive polymer becomes more susceptible to oxidative degradation.
  • the initial weight of the electrolyte is large, even if the electrolyte evaporates, sufficient electrolyte will remain to protect the periphery of the conductive polymer. Furthermore, if the sealing body is thick, the electrolyte will be less likely to evaporate, and sufficient electrolyte will remain to protect the periphery of the conductive polymer. Furthermore, if the sealing body has a small sealing surface area, the electrolyte will be less likely to evaporate, and sufficient electrolyte will remain to protect the periphery of the conductive polymer.
  • the electrolyte loading coefficient R is 3.93 mg mm/mm2 or more , oxidative degradation of the conductive polymer due to evaporation of the electrolyte is suppressed, and the tan ⁇ of the electrolytic capacitor is suppressed.
  • the electrolyte loading coefficient R is 8.5 mg ⁇ mm/mm 2 or less, swelling of the solid electrolytic capacitor in a reflow process environment or a high-temperature environment can be suppressed.
  • This electrolyte is a solution in which an anionic component and a cationic component are added to a solvent.
  • the anionic component and cationic component are typically salts of organic acids, salts of inorganic acids, or salts of complex compounds of organic acids and inorganic acids, and are added to the solvent as ion-dissociable salts that dissociate into the anionic component and the cationic component.
  • An acid that becomes the anionic component and a base that becomes the cationic component may also be added separately to the solvent.
  • the electrolyte does not necessarily require that the solvent contain either the anionic component or the cationic component, or both the anionic and cationic components.
  • Organic acids that can serve as anionic components include carboxylic acids such as oxalic acid, succinic acid, glutaric acid, pimelic acid, suberic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, maleic acid, adipic acid, benzoic acid, toluic acid, enanthic acid, malonic acid, 1,6-decanedicarboxylic acid, 1,7-octanedicarboxylic acid, azelaic acid, resorcylic acid, phloroglucinic acid, gallic acid, gentisic acid, protocatechuic acid, pyrocatechuic acid, trimellitic acid, pyromellitic acid, undecanedioic acid, dodecanedioic acid, tridecanedioic acid, t-butyladipic acid, and 11-vinyl-8-octadecenedioic acid, as well as phenols and
  • Inorganic acids include boric acid, phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, carbonic acid, and silicic acid.
  • Examples of composite compounds of organic and inorganic acids include borodisalicylic acid, borodioxalic acid, borodiglycolic acid, borodimalonic acid, borodisuccinic acid, borodiadipic acid, borodiazelaic acid, borodibenzoic acid, borodimaleic acid, borodilactic acid, borodimalic acid, boroditartaric acid, borodicitric acid, borodiphthalic acid, borodi(2-hydroxy)isobutyric acid, borodiresorcylic acid, borodimethylsalicylic acid, borodinaphthoic acid, borodimandelic acid, and borodi(3-hydroxy)propionic acid.
  • Cation components include ammonium, quaternary ammonium, quaternized amidinium, amine, sodium, potassium, etc.
  • Quaternary ammonium includes tetramethylammonium, triethylmethylammonium, tetraethylammonium, etc.
  • Quaternary amidinium includes ethyldimethylimidazolinium, tetramethylimidazolinium, etc.
  • Amines include primary amines, secondary amines, and tertiary amines.
  • Primary amines include methylamine, ethylamine, propylamine, etc.; secondary amines include dimethylamine, diethylamine, ethylmethylamine, dibutylamine, etc.; and tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tributylamine, ethyldimethylamine, ethyldiisopropylamine, etc.
  • additives can be added to the electrolyte.
  • additives include complex compounds of boric acid and polysaccharides (mannitol, sorbitol, etc.), complex compounds of boric acid and polyhydric alcohols, borate esters, nitro compounds, phosphate esters, and colloidal silica. These may be used alone or in combination of two or more.
  • Nitro compounds suppress the generation of hydrogen gas within the electrolytic capacitor. Examples of nitro compounds include o-nitrobenzoic acid, m-nitrobenzoic acid, p-nitrobenzoic acid, o-nitrophenol, m-nitrophenol, and p-nitrophenol.
  • the anions and cations may be added to the electrolyte in the form of ionically dissociable salts, or the anions (acids) and cations (bases) may be added to the electrolyte separately as solute components.
  • the anions and cations may be used alone or in combination of two or more.
  • the electrolyte may also be composed solely of glycerins, without containing additives or ionically dissociable salts that dissociate into anions and cations.
  • solid electrolyte examples include manganese dioxide or 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complexes, as well as conductive polymers.
  • Conductive polymers are self-doped conjugated polymers doped with an intramolecular dopant, or conjugated polymers doped with external dopant molecules.
  • Conjugated polymers are obtained by chemical oxidative polymerization or electrolytic oxidative polymerization of monomers or their derivatives having ⁇ -conjugated double bonds.
  • the dopant or external dopant molecule acts as an acceptor that readily accepts electrons into the conjugated polymer, or as a donor that readily donates electrons, which allows the conductive polymer to exhibit high conductivity.
  • conjugated polymers any known polymer can be used without particular limitation. Examples include polypyrrole, polythiophene, polyfuran, polyaniline, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, and polythiophene vinylene. These conjugated polymers may be used alone, in combination with two or more types, or as copolymers of two or more types of monomers.
  • conjugated polymers formed by polymerizing thiophene or its derivatives are preferred, and conjugated polymers formed by polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (i.e., 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin), 3-alkylthiophene, 3-alkoxythiophene, 3-alkyl-4-alkoxythiophene, 3,4-alkylthiophene, 3,4-alkoxythiophene, or derivatives thereof are preferred.
  • 3,4-ethylenedioxythiophene i.e., 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin
  • 3-alkylthiophene 3-alkoxythiophene
  • 3-alkyl-4-alkoxythiophene 3-alkyl-4-alkoxythiophene
  • 3,4-alkylthiophene, 3,4-alkoxythiophene, or derivatives thereof are preferred.
  • a polymer of 3,4-ethylenedioxythiophene known as EDOT, i.e., poly(3,4-ethylenedioxythiophene), known as PEDOT
  • EDOT 3,4-ethylenedioxythiophene
  • PEDOT poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
  • a substituent may be added to 3,4-ethylenedioxythiophene.
  • alkylated ethylenedioxythiophene in which an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms is added as a substituent, may be used.
  • alkylated ethylenedioxythiophene examples include methylated ethylenedioxythiophene (i.e., 2-methyl-2,3-dihydro-thieno[3,4-b][1,4]dioxin), ethylated ethylenedioxythiophene (i.e., 2-ethyl-2,3-dihydro-thieno[3,4-b][1,4]dioxin), and butylated ethylenedioxythiophene (i.e., 2-butyl-2,3-dihydro-thieno[3,4-b][1,4]dioxin).
  • methylated ethylenedioxythiophene i.e., 2-methyl-2,3-dihydro-thieno[3,4-b][1,4]dioxin
  • ethylated ethylenedioxythiophene i.e., 2-ethyl-2,3-dihydro-thieno
  • dopant can be used without any particular limitation.
  • a single dopant may be used, or two or more may be used in combination.
  • a polymer or a monomer may also be used.
  • dopants include inorganic acids such as polyanions, boric acid, nitric acid, and phosphoric acid, and organic acids such as acetic acid, oxalic acid, citric acid, tartaric acid, squaric acid, rhodizonic acid, croconic acid, salicylic acid, p-toluenesulfonic acid, 1,2-dihydroxy-3,5-benzenedisulfonic acid, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, borodisalicylic acid, bisoxalateborate acid, sulfonylimide acid, dodecylbenzenesulfonic acid, propylnaphthalenesulfonic acid, and butylnaphthalenesulfonic acid
  • polyanions include substituted or unsubstituted polyalkylenes, substituted or unsubstituted polyalkenylenes, substituted or unsubstituted polyimides, substituted or unsubstituted polyamides, and substituted or unsubstituted polyesters, including polymers consisting only of structural units having anionic groups, and polymers consisting of structural units having anionic groups and structural units not having anionic groups.
  • polyanions include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyallylsulfonic acid, polyacrylic sulfonic acid, polymethacrylic sulfonic acid, poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid), polyisoprenesulfonic acid, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and polymaleic acid.
  • the anode body and the cathode body are foil bodies based on a valve metal.
  • the foil body may be formed by stretching the valve metal or by sintering a valve metal powder.
  • the anode body In wound electrolytic capacitors, the anode body has a long strip shape, while in laminated and flat electrolytic capacitors, the anode body is a flat plate.
  • Valve metals include aluminum, tantalum, niobium, niobium oxide, titanium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, and antimony.
  • the purity of the anode body is preferably 99.9% or higher, and that of the cathode body is preferably about 99% or higher, but impurities such as silicon, iron, copper, magnesium, and zinc may be contained.
  • a surface-expanding layer is formed on one or both sides of the anode foil.
  • a surface-expanding layer may also be formed on one or both sides of the cathode foil.
  • the surface-expanding layer is an etching layer formed by etching the foil, a sintered layer formed by sintering valve metal powder, or a vapor-deposited layer formed by vapor-depositing valve metal particles onto the foil.
  • the surface-expanding layer has a porous structure, consisting of tunnel-shaped pits, spongy pits, or gaps between densely packed powder or particles. Tunnel-shaped etching pits are holes dug in the thickness direction of the foil. Furthermore, spongy etching pits make the surface-expanding layer into a sponge-like layer with a series of fine, open gaps.
  • a dielectric film is formed on one or both sides of the anode body on which the surface expansion layer is formed. If a surface expansion layer is formed, it is formed on the surface of the surface expansion layer, following the irregularities of the surface expansion layer.
  • the dielectric film is typically an oxide film formed on the surface of the anode body; if the anode body is made of aluminum, it is an aluminum oxide layer formed by oxidizing the surface of the surface expansion layer. This dielectric film is formed by chemical conversion treatment in which a voltage is applied in an aqueous solution of adipic acid, boric acid, phosphoric acid, or the like.
  • a chemical repair process may be carried out to repair the bare valve metal portions exposed when the anode and cathode bodies are cut to the desired width, as well as defects in the anode and cathode bodies caused by physical stress during winding, etc.
  • Examples 1 to 8 in which glycerin is 40 wt% or more relative to the total solvent of the electrolyte solution, have a ⁇ Cap of -16% or more.
  • Examples 1 to 8 in which glycerin is 40 wt% or more relative to the total solvent of the electrolyte solution, have a ⁇ Cap of -16% or more.
  • those in which glycerin is 40 wt% or more relative to the total solvent of the electrolyte solution maintain their capacitance well even when exposed to high temperatures for long periods of time.
  • the sealant consists of only an elastomer.
  • the elastomer in Examples 11 to 17 consists of 32 wt% elastomer, 16 wt% carbon, 42 wt% inorganic filler, vulcanizing agent, stearic acid, zinc oxide, and silane coupling agent.
  • the entire elastomer is regular butyl.
  • the vulcanizing agent, stearic acid, zinc oxide, and silane coupling agent were added so that the total amount was 10 wt%.
  • electrolyte types A to C Three types of electrolytes were prepared: electrolyte types A to C.
  • the solvent for electrolyte type A was composed of 40 wt% glycerin and 60 wt% ethylene glycol.
  • the solvent for electrolyte type B was composed of 60 wt% glycerin and 40 wt% ethylene glycol, and the solvent for electrolyte type C was composed of 80 wt% glycerin and 20 wt% ethylene glycol.
  • the electrolyte for electrolyte types A to C was ammonium azelaate, which was added at a ratio of 0.16 mol per 1 kg of electrolyte.
  • Electrolytic capacitors combining the elastic bodies of Examples 11 to 17 with electrolyte type A are referred to as Examples 11A to 17A.
  • Electrolytic capacitors combining the elastic bodies of Examples 11 to 17 with electrolyte type B are referred to as Examples 11B to 17B.
  • Electrolytic capacitors combining the elastic bodies of Examples 11 to 17 with electrolyte type C are referred to as Examples 11C to 17C. These electrolytic capacitors were manufactured using the same manufacturing method and conditions as Example 1, except for the elastic body and electrolyte, and have the same configuration as Example 1.
  • the electrolytic capacitors were also exposed to a high-temperature environment at 170°C.
  • the capacitance (Cap) of each electrolytic capacitor was measured immediately before exposure to the high-temperature environment and after 1,400 hours of exposure to the high-temperature environment, and ⁇ Cap (%), which is the rate of change in capacitance before and after exposure to the high-temperature environment, was calculated.
  • the capacitance measurement method was the same as in Example 3.
  • the leakage current ( ⁇ A) of each electrolytic capacitor was measured after 1,400 hours of exposure to a high-temperature environment.
  • the leakage current was measured on an oscilloscope 120 seconds after applying 35 V in a 20°C temperature environment.
  • the capacitance change rate ⁇ Cap and leakage current of the electrolytic capacitors of Examples 11A to 17A are shown in Table 4 below.
  • the capacitance change rate ⁇ Cap and leakage current of the electrolytic capacitors of Examples 11B to 17B are shown in Table 5 below.
  • the capacitance change rate ⁇ Cap and leakage current of the electrolytic capacitors of Examples 11C to 17C are shown in Table 6 below.
  • the electrolytic capacitors of Examples 11A to 17A all have excellent ⁇ Cap. Furthermore, the electrolytic capacitors of Examples 11A to 14A are superior to those of Examples 15A to 17A in that they have low leakage current, at a maximum of about 1/95th.
  • the electrolytic capacitors of Examples 11B to 17B all have excellent ⁇ Cap. Furthermore, the electrolytic capacitors of Examples 11B to 14B are superior to Examples 15B to 17B in that they have low leakage current, at a maximum of approximately 1/126th.
  • the electrolytic capacitors of Examples 11C to 17C all have excellent ⁇ Cap. Furthermore, the electrolytic capacitors of Examples 11C to 14C are superior to Examples 15C to 17C in that they have low leakage current, at most 1/200th of that of Examples 15C to 17C.
  • Electrolytic capacitors of Examples 18A to 22A and Examples 18B to 22B were fabricated.
  • the electrolytic capacitors of Examples 18A to 22A had the same configuration as Example 1, except that the amount of electrolyte was different from that of Example 1, and the amount of glycerin in the electrolyte was 40 wt % relative to the total amount of solvent.
  • the electrolytic capacitors of Examples 18B to 22B had the same configuration as Example 3, except that the amount of electrolyte was different from that of Example 3, and the amount of glycerin in the electrolyte was 60 wt % relative to the total amount of solvent.
  • the sealing bodies used in the electrolytic capacitors of Examples 18A to 22A and Examples 18B to 22B were cylindrical, with a radius of 4.72 mm and a height of 2.5 mm.
  • the electrolyte loading coefficient R of each electrolytic capacitor was adjusted as follows:
  • the electrolyte load coefficient R for Examples 18A and 18B was 5.00 mg mm/ mm2 .
  • the electrolyte load coefficient R for Examples 19A and 19B was 4.29 mg mm/ mm2 .
  • the electrolyte load coefficient R for Examples 20A and 20B was 3.93 mg mm/ mm2 .
  • the electrolyte load coefficient R for Examples 21A and 21B was 3.57 mg mm/ mm2 .
  • the electrolyte load coefficient R for Examples 22A and 22B was 3.21 mg mm/ mm2 .
  • the electrolytic capacitors were also exposed to a high-temperature environment at 170°C.
  • the capacitance (Cap) of each electrolytic capacitor was measured immediately before exposure to the high-temperature environment and after 1,400 hours of exposure to the high-temperature environment, and ⁇ Cap (%), which is the rate of change in capacitance before and after exposure to the high-temperature environment, was calculated.
  • the capacitance measurement method was the same as in Example 3.
  • the capacitance change rates ⁇ Cap and tan ⁇ of the electrolytic capacitors of Examples 18A to 22A are shown in Table 7 below.
  • the capacitance change rates ⁇ Cap and tan ⁇ of the electrolytic capacitors of Examples 18B to 22B are shown in Table 8 below.
  • the results of Tables 7 and 8 below are shown in the graph in Figure 2.
  • the horizontal axis is the electrolyte load coefficient R and the vertical axis is tan ⁇ , with the circle plots representing the series of Examples 18A to 22A and the triangle plots representing the series of Examples 18B to 22B.
  • the electrolytic capacitors of Examples 18A to 22A all have excellent ⁇ Cap. Furthermore, the electrolytic capacitors of Examples 18A to 20A have significantly lower tan ⁇ than Examples 21A and 22A. As shown in Table 8 and Figure 2, the electrolytic capacitors of Examples 18B to 22B all have excellent ⁇ Cap. Furthermore, the electrolytic capacitors of Examples 18B to 20B have significantly lower tan ⁇ than Examples 21B and 22B.
  • the dimensions of the electrolyte and the sealing body were adjusted so that the electrolyte loading coefficient R was 3.93 mg mm/mm2 or more .
  • the electrolytic capacitors not only suppressed the decrease in capacitance in high-temperature environments, but also suppressed tan ⁇ .
  • the elastic body of the sealing body contain 31 wt % or more of butyl rubber, making the electrolyte contain 40 wt % or more of glycerin, diglycerin, or both in a solvent, making the elastic body contain 50 wt % or more and 60 wt % or less of carbon and inorganic filler, and making the electrolyte loading coefficient R 3.93 mg mm/mm2 or more , not only is it possible to suppress changes in capacitance but also to lower the tan ⁇ of the electrolytic capacitor.

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Abstract

高温環境下でも静電容量の低下が抑制された電解コンデンサ及び製造方法を提供する。電解コンデンサは、陽極箔と陰極箔と電解液と固体電解質層とを有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収容するケースと、前記ケースを封口する封口体とを備える。封口体は、エラストマーを含む弾性体を有する。エラストマーは、ブチルゴムを含み、且つ弾性体に対して31wt%以上含有する。電解液は、グリセリンを当該電解液の溶媒中40wt%以上含む。

Description

電解コンデンサ及び製造方法
 本発明は、誘電体皮膜の誘電分極作用により静電容量を得て電荷の蓄電及び放電を行う電解コンデンサ及び製造方法に関する。
 タンタル或いはアルミニウム等の弁作用金属を利用する電解コンデンサは、陽極側対向電極としての弁作用金属を焼結体或いはエッチング箔等の形状にして誘電体を拡面化することにより、小型で大きな容量を得られる。この種の電解コンデンサは、陽極の誘電体皮膜を対向電極と密着させるべく、電解液で空隙を埋めている。
 電解液は、誘電体皮膜に直接接触して真の陰極として作用するとともに、誘電体皮膜の修復作用を有する。しかしながら、電解液が時間経過とともに電解コンデンサの外部へ抜けてしまう蒸発揮散が起こる。そのため、電解コンデンサはドライアップに向けて経時的に静電容量が低下し、ついには寿命を迎える。 
 コンデンサ素子は有底の外装ケースに収容され、外装ケースの開口を封口体で封止している。この封口体は、加締め加工によりケースの開口に密着しており、シール性向上のために適度な硬度の弾性部材により構成される。例えば、封口体には、ブチルゴム等のエラストマーを含む。エラストマーは、架橋反応させるために加硫にて作成される。
 但し、電解液はケース内に完全に閉じ込められるわけではなく、封口体を少しずつ透過して、電解コンデンサの外部に徐々に揮散していく。そこで、電解液には沸点が高い溶媒を用いることが提案されている(例えば特許文献1参照)。沸点が高い溶媒としては、沸点が203℃のγ-ブチロラクトン、沸点が230℃のブタンジオール、沸点が285℃のスルホラン、沸点が198℃のエチレングリコール、沸点が244℃のジエチレングリコール等が知られている。
国際公開第2013/094462号
 近年、電解コンデンサには、車載用途等のように例えば170℃といった高温環境下における良好な性能が要求されている。具体的には、電解コンデンサには、高温環境下においても一定以上の静電容量を長期間維持する長寿命が要求されている。一方で、本発明者らは、沸点が170℃を超えるような高い溶媒で電解液を組成しても、このような高温環境下では、電解液の蒸散を抑制することができず、電解コンデンサの静電容量が低下していく事象を確認した。
 本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、高温環境下でも静電容量の低下が抑制された電解コンデンサ及び製造方法を提供することにある。
 上記課題を解決すべく、本実施形態の電解コンデンサは、陽極体と陰極体と電解液と固体電解質とを有するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収容するケースと、前記ケースを封口する封口体と、を備え、前記封口体は、エラストマーを含む弾性体を有し、前記エラストマーは、ブチルゴムを含み、且つ前記弾性体に対して31wt%以上含有し、前記電解液は、グリセリン、ジグリセリン又は両方を当該電解液の溶媒中40wt%以上含む。
 前記エラストマーの含有量は、前記弾性体に対して36wt%以下であるようにしてもよい。
 前記封口体は、170℃の温度環境下に1000時間晒された後、JIS K7171の3点曲げ試験により、曲げ歪み変化率が-30%以内であるようにしてもよい。
 前記弾性体は、合計50wt%以上60wt%以下のカーボン及び無機充填剤を含むようにしてもよい。
 前記カーボンは、フタル酸ジブチル吸収量が80ml/100g以下のカーボンブラックであるようにしてもよい。
 前記電解液は、以下数式(数1)で示される電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上であるようにしてもよい。
(数1)
 前記ブチルゴムは、アルキルフェノール樹脂によって架橋されているようにしてもよい。
 上記課題を解決すべく、本実施形態の電解コンデンサの製造方法は、陽極体と陰極体と固体電解質とを有するコンデンサ素子の素子形成工程と、前記コンデンサ素子に、グリセリン、ジグリセリン又は両方を当該電解液の溶媒中40wt%以上含む電解液を含浸する含浸工程と、前記コンデンサ素子をケースに収容する収容工程と、前記ケースを、エラストマーを含む弾性体を有し、当該エラストマーにはブチルゴムが含まれ、且つ前記弾性体に対して当該エラストマーが31wt%以上含有する封口体で封止する封止工程と、を有する。
 170℃の温度環境下に1000時間晒された後、JIS K7171の3点曲げ試験により、曲げ歪み変化率が-30%以内となる前記封口体を作製する工程を有するようにしてもよい。
 前記含浸工程及び前記封止工程では、上記数式(数1)で示される電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上になるように、前記電解液の重量と前記封口体の形状及び大きさを組み合わせるようにしてもよい。
 本発明によれば、高温環境下であっても封口体にクラックが生じ難く、静電容量を長時間維持できる。
各種エラストマー含有量の弾性体の曲げ歪み量と熱処理時間との関係を示すグラフである。 電解液搭載量係数Rとtanδとの関係を示すグラフである。
 以下、本発明の実施形態に係る電解コンデンサ及び製造方法について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものでない。
 (全体構成)
 電解コンデンサは、静電容量により電荷の蓄電及び放電を行う受動素子である。この電解コンデンサはコンデンサ素子を有する。コンデンサ素子は、陽極体、陰極体、セパレータ及び電解質を備える。陽極体の表面には誘電体皮膜が形成されている。セパレータは、陽極体と陰極体との間に介在し、陽極体と陰極体を絶縁する。電解質は、誘電体皮膜と密着しつつ、陽極体と陰極体との間に介在し、真の陰極として作用する。電解質として、電解コンデンサは電解液を有する。電解液は、コンデンサ素子の空隙部に充填される。
 このコンデンサ素子はケースに収容される。ケースは、アルミニウム、アルミニウム若しくはマンガンを含有するアルミニウム合金、又はステンレス製であり、有底及び他端が開口の例えば筒体である。ケースの底部に圧力開放弁を形成し、ケースの内圧が設定圧力を超えると開弁するようにしてもよい。ケースの開口は封口体によって封止される。封口体は、ケースの開口に加締め加工により取り付けられ、加締め加工によって、ケースの開口が内側へ折り曲げて潰され、封口体が密着する。
 この電解コンデンサにおいて、封口体は、エラストマーを主とする弾性体を有する。弾性体には、エラストマーとして、少なくともブチルゴムを含む。ブチルゴムはイソブチレンイソプレンゴムとも呼ばれる。例えばブチルゴムとしてレギュラーブチルが好ましい。ブチルゴムを含むエラストマーの含有量は、弾性体中に31wt%以上とする。更に、電解液にはグリセリン、ジグリセリン又は両方を電解液の溶媒全量に対して40wt%以上含有させ、電解質として電解液に加えて固体電解質を併用する。
 ここで、封口体の弾性体の熱酸化劣化のメカニズムは次の通りである。まず、ケースの外部側にあるエラストマー分子のC-H結合が開裂してラジカルが発生する。第1に、このラジカルがエラストマー分子の別のC-H結合にアタックして更なる開裂を促す。また、第2に、このラジカルに酸素が付加されて過酸化物が生じる。この過酸化物が熱で分解してラジカルを加速的に発生させ、このラジカルがエラストマー分子の別のC-H結合にアタックして更なる開裂を促す。
 これが繰り返されると、エラストマーの分子の鎖長が短くなっていき、エラストマー部材が軟化していく。低分子化したエラストマーは気化し易くなる。また、鎖長が短く切断されたエラストマーが再結合したときに、エラストマーの密度が高まる。そのため、弾性体は収縮していく。弾性体の収縮は、熱や酸素に晒されやすい封口体のケース外部側で顕著であり、封口体のケース外部側からケース内部側へ向けて収縮の度合いが薄れていく。
 一方で、封口体のケース内部側では電解液による弾性体の膨潤化が生じている。そうすると、封口体内で収縮箇所と膨張箇所が生じ、封口体の弾性体にクラックが生じてしまう。弾性体にクラックが生じると、クラックを通じた電解液の揮発蒸散に伴って、電解コンデンサの静電容量が低下していくものである。
 この熱酸化劣化のメカニズムに対し、ブチルゴムは、電解液が浸透し難く、弾性体のケース内部側の膨潤は抑制される。そのため、ブチルゴムを含む弾性体においては、電解液の浸透を受けて膨潤するケース内部側と、熱酸化劣化により収縮するケース外部側との体積変化の差が小さくなる。更に、エラストマーの含有量が弾性体中に31wt%以上であると、弾性体の曲げ歪み変化率は、高温環境下に長時間晒されていても、-30%以内に収まる。弾性体の曲げ歪み変化率が30%以内の減少に収まることで、柔軟性が維持され、この弾性体にクラックが発生し難くなる。そのため、クラックを通じた電解液の揮発蒸散を抑えることができる。
 曲げ歪み変化率は、高温環境下に長時間晒す前と後における曲げ試験結果の変化を示す。曲げ試験において弾性体を晒す温度及び時間は、170℃及び1000時間とする。曲げ試験はJIS K7171に準拠した3点曲げ試験である。厚さが2mm、長さが40mm及び幅が25mmの弾性体の試験片を用意し、支点間距離が32mmの支持台に載せる。170℃の温度環境下で、1mm/minの試験速度で圧子によって試験片の中央に力を加える。そして、試験片にクラックが生じるまでの曲げ歪みを測定する。高温環境下に長時間晒した後の曲げ歪み(%)から高温環境下に長時間晒す前の曲げ歪み(%)を差分し、高温環境下に長時間晒す前の曲げ歪み(%)に対する差分値の百分率を、曲げ歪み変化率とする。
 更に、ブチルゴムは電解液の透過性が低い。また、グリセリン、ジグリセリンまたは両方(以下、グリセリン類と呼称する)の含有量が電解液の溶媒全量に対して40wt%以上になると、弾性体を透過して揮発蒸散する電解液の量が特に抑えられる。そのため、この弾性体では、クラックを通じた電解液の揮発蒸散と、弾性体の透過による電解液の揮発蒸散の両方が抑えられ、電解コンデンサの良好な静電容量が長期間維持される。
 固体電解質は、グリセリン類の高粘度に起因する比抵抗の高さを減殺し、電解コンデンサの内部抵抗を下げる。好ましくは、固体電解質は導電性高分子である。導電性高分子に脱ドープが生じると、固体電解質層の導電性が下がり、グリセリン及びジグリセリンの比抵抗に対するキャンセリング効果が薄れてしまう。しかし、グリセリン類はイオン拡散性が低いために、脱ドープ反応が抑制される。従って、この電解コンデンサでは、電解液と共に固体電解質を併用する。
 (封口体)
 以上の電解コンデンサにおいて、封口体の弾性体には、弾性体に含まれるエラストマーの総計に対し、ブチルゴムが50wt%を超えていれば、ブチルゴムに加えて、エラストマーとして、EPDMとも呼ばれるエチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、天然ゴム、又はこれらの複数を混合してもよい。尚、エラストマーの含有量は、好ましくは、弾性体中に36wt%以下である。本発明のエラストマーとはゴム弾性を示す高分子物質を指し、熱硬化性である。
 ブチルゴムは、加硫にて作製されることが好ましい。加硫としては、樹脂加硫、硫黄加硫、キノイド加硫等が挙げられる。加硫剤としては、例えば、アルキルフェノールホルムアルデヒド樹脂等のアルキルフェノール樹脂類、キノイド、硫黄等が挙げられる。また、架橋促進剤には、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、過酸化鉛、ジベンゾチアジル、ジスルフィド、1,2-ポリブタジエン、トリアリルシアヌレートメタクリル酸及びアクリル酸の金属塩及びエステルステアリン酸N,N’-メタフェニルレンジマレインシド等が挙げられる。特に、ブチルゴムは、アルキルフェノール樹脂類で架橋されることが好ましく、ブチルゴムの開裂が抑制される。
 ブチルゴムとエチレンプロピレンゴムを併用する場合、エラストマーは、ブチルゴムとエチレンプロピレンゴムとを樹脂加硫で架橋したブレンドゴムとすることが好ましい。ブチルゴムとエチレンプロピレンゴムを別々に加硫して混合するよりも、電解液の蒸散が抑制される。このブレンドゴムは、未加硫のブチルゴムと未加硫のエチレンプロピレンゴムとを混合してから、混合体に対して樹脂加硫剤を加え、加圧及び加熱する。または、このブレンドゴムは、未加硫のブチルゴムと未加硫のエチレンプロピレンゴムと樹脂加硫剤とを加え、加圧及び加熱する。
 弾性体には、エラストマーの他、カーボン及び無機充填剤が含まれるようにしてもよい。カーボン及び無機充填剤が添加されると、ブチルゴムが開裂し難くなり、ブチルゴムの軟化が抑えられる。カーボンとしては例えばカーボンブラック等が挙げられ、無機充填剤としては、タルク、マイカ、シリカ、カオリン、チタニア、アルミナ及びこれらの混合が挙げられる。
 カーボン及び無機充填剤は、弾性体全体に対して合計50wt%以上60wt%以下の割合で含まれることが好ましい。カーボン及び無機充填剤の含有量が弾性体全体に対して合計50wt%以上であれば、弾性体は更に良好な強度を得られ、高温環境下に晒した後の曲げ歪み変化率の低下に貢献する。また、カーボン及び無機充填剤の含有量が弾性体全体に対して合計60wt%以下であれば、弾性体は良好な柔軟性が得られ、弾性体のクラックを抑制することができる。
 また、カーボンとしては、好ましくは、フタル酸ジブチル吸収量が80ml/100g以上のカーボンブラックである。フタル酸ジブチル吸収量は、DBP吸収量、あるいはDBP吸油量とも呼ばれる。カーボンブラックは、粒子同士が強く癒着した凝集体で存在するが、この凝集体はアグリゲートと呼ばれ、ブドウの房に似たストラクチャーを採る。フタル酸ジブチル吸収量は、このストラクチャー内の空隙にフタル酸ジブチル吸収量を吸収する能力を示す。換言すれば、カーボンブラックのストラクチャーの発達の程度を示す指標である。このフタル酸ジブチル吸収量は、例えばJIS規格のJIS K 6217-4のオイル吸収量の求め方に則って測定すればよい。
 封口体の弾性体に含有させるカーボンを、フタル酸ジブチル吸収量が80ml/100g以下となるストラクチャーのカーボンブラックとすると、高温環境下に晒した後の曲げ歪み変化率の低下に貢献して静電容量の低下を抑制するだけでなく、電解コンデンサの漏れ電流も大きく抑えることができる。推測であり、このメカニズムに限られないが、漏れ電流の抑制効果のメカニズムは次の通り推測される。
 まず、誘電体皮膜の欠損により発生する漏れ電流が流れる回路に、弾性体を有する封口体が組み込まれる場合、封口体の電気的抵抗が高ければ、漏れ電流は小さくなるが、封口体の電気的抵抗が低ければ、漏れ電流は大きくなる。フタル酸ジブチル吸収量が大きいカーボンブラックはストラクチャーが大きいため、カーボンブラックの凝集体同士の接触頻度が高くなる。高温環境下では熱振動の影響を受けて、カーボンブラック同士の接触頻度が高まり易い。
 接触頻度が高くなり、カーボンブラックの連なりが出来てしまうと、このカーボンブラックの連なりが封口体内における導電回路として機能する。カーボンブラックの連なりによる導電回路が封口体内に発生すると、封口体の電気的抵抗は低くなる。そして、漏れ電流が大きくなる。
 但し、フタル酸ジブチル吸収量が80ml/100g以下となるストラクチャーのカーボンブラックであれば、カーボンブラックの凝集体同士の接触頻度は低く抑えられ、カーボンブラックの連なりが起こらないか、カーボンブラックの連なりが少なくなる。即ち、封口体内に導電回路が生じないか、封口体内の導電回路の並列本数は少なく抑えられ、封口体の電気的抵抗は高く維持される。従って、電解コンデンサの静電容量を低く抑えられるだけでなく、電解コンデンサの漏れ電流も抑制されると推測される。また、電解コンデンサの漏れ電流が抑制されることで、経時的な静電容量の低下も更に抑えられることとなる。
 尚、弾性体には、更に、プロセスオイル、ポリエチレンワックス及びポリブタジエンのうちの1種以上が添加されていてもよい。プロセスオイルとしては、パラフィン系、ナフテン系及び芳香族系等が挙げられる。ポリエチレンワックスとしては、低密度ポリエチレンワックスでも高密度ポリエチレンワックスでも何れでもよい。
 封口体は、弾性体であるほか、弾性体と硬質基板との積層体であってもよく、または硬質基板を弾性体で内包させるように備えていてもよい。硬質基板は、合成樹脂板、セラミック板又は金属板である。合成樹脂板は例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂又はポリエチレンサルファイド樹脂からなる。種々の樹脂が使用可能であり、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。金属板は例えばアルミニウム、アルミニウムやマンガンを含有するアルミニウム合金、又はステンレスから成る。硬質基板は電解コンデンサ内の密閉性を高め、弾性体を電解液や熱から保護する。
 (電解液)
 電解液は、グリセリン類の含有量が溶媒全体に対して40wt%以上である限り、グリセリン類以外の溶媒を含んでいてもよい。グリセリン類以外の溶媒としては、一価アルコール類、及び多価アルコール類、オキシアルコール化合物類などのプロトン性の極性溶媒、又はスルホン系、アミド系、ラクトン類、環状アミド系、ニトリル系などの非プロトン性の極性溶媒が挙げられる。
 一価アルコール類としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロブタノール、シクロペンタノール、シクロヘキサノール、ベンジルアルコール等が挙げられる。多価アルコール類及びオキシアルコール化合物類としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、メトキシプロピレングリコール、ジメトキシプロパノール等が挙げられる。
 スルホン系としては、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチルスルホン、スルホラン、3-メチルスルホラン、2,4-ジメチルスルホラン等が挙げられる。アミド系としては、N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-エチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-エチルアセトアミド、N,N-ジエチルアセトアミド、ヘキサメチルホスホリックアミド等が挙げられる。ラクトン類、環状アミド系としては、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、δ-バレロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、イソブチレンカーボネート等が挙げられる。ニトリル系としては、アセトニトリル、3-メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル等が挙げられる。
 グリセリン、ジグリセリン以外に追加する溶媒としては、好ましくは、エチレングリコール、スルホラン、又はこれらの両方である。エチレングリコールの沸点は198℃である。スルホランの沸点は285℃である。従って、エチレングリコール及びスルホランを含む電解液は、蒸散抑制効果が得られる。そして、エチレングリコ-ル及びスルホランを電解液に含有させることにより、グリセリン類の濃度を下げることができ、電解液全体の粘度が下がり、電解コンデンサの比抵抗が下がる。例えば、グリセリン類の含有量は電解液の溶媒全量に対して100wt%以下でもよく、好ましくは98wt%以下である。
 電解液は、以下数式(1)で示される電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上となるように、コンデンサ素子の空隙部に充填する。
 (数1)
 初期の電解液の重量は、電解コンデンサの製造過程で充填された電解液の重量である。この初期の電解液は、未使用の電解コンデンサからコンデンサ素子を取り出して遠心分離機等で抽出すればよい。即ち、電解コンデンサの製造工程に混入した水分量も初期の電解液の重量に加算する。
 封口体の厚みは、コンデンサ素子の巻回軸に沿った方向の長さであり、電解コンデンサの内部の電解液が外部に抜けるまでに通過する距離である。封口体の封口表面積は、コンデンサ素子の巻回軸と直交する方向に拡がる平面の面積であり、電解コンデンサの内部に晒され、電解コンデンサの内部の電解液が外部に抜ける際に通ることができる面積である。
 この電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上であると、電解コンデンサは高温環境下に晒されることによる静電容量の低下が抑制されるだけでなく、低周波での抵抗、即ち誘電正接(tanδ)の増加を抑制することができる。
 これは推測であり、このメカニズムには限定されないが、電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上であるとtanδの増加が抑制されるのは次の通りである。即ち、まず、電解液が蒸散すると、導電性高分子周囲の電解液が少なくなり、電解液に捕らわれることなく酸素が導電性高分子に到達し易くなる。そのため、電解液が蒸散してコンデンサ素子内の電解液の量が少なくなると、導電性高分子が酸化劣化し易くなる。
 そこで、初期の電解液の重量が多ければ、電解液が蒸散しても、導電性高分子の周囲を保護するために十分な電解液が残ることになる。また、封口体が厚ければ、電解液が蒸散し難くなり、導電性高分子の周囲を保護するために十分な電解液が残ることになる。また、封口体の封口表面積が狭ければ、電解液が蒸散し難くなり、導電性高分子の周囲を保護するために十分な電解液が残ることになる。そして、電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上であると、電解液の蒸散に係る導電性高分子の酸化劣化が抑えられ、電解コンデンサのtanδが抑えられるものである。
 また、電解液搭載量係数Rが8.5mg・mm/mm以下であると、リフロー工程環境下や高温環境下での固体電解コンデンサの膨れを抑制できる。
 この電解液は、アニオン成分とカチオン成分が溶媒に添加された溶液である。アニオン成分とカチオン成分は、典型的には、有機酸の塩、無機酸の塩、又は有機酸と無機酸との複合化合物の塩であり、アニオン成分とカチオン成分に解離するイオン解離性塩によって溶媒に添加される。アニオン成分となる酸及びカチオン成分となる塩基が別々に溶媒に添加されてもよい。また、電解液は、アニオン成分又はカチオン成分、アニオン成分とカチオン成分の両者が溶媒に含まれていなくてもよい。
 アニオン成分となる有機酸としては、シュウ酸、コハク酸、グルタル酸、ピメリン酸、スベリン酸、セバシン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、アジピン酸、安息香酸、トルイル酸、エナント酸、マロン酸、1,6-デカンジカルボン酸、1,7-オクタンジカルボン酸、アゼライン酸、レゾルシン酸、フロログルシン酸、没食子酸、ゲンチシン酸、プロトカテク酸、ピロカテク酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸、トリデカン二酸、t-ブチルアジピン酸、11-ビニル-8-オクタデセン二酸等のカルボン酸や、フェノール類、スルホン酸が挙げられる。
 また、無機酸としては、ホウ酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、炭酸、ケイ酸等が挙げられる。有機酸と無機酸の複合化合物としては、ボロジサリチル酸、ボロジ蓚酸、ボロジグリコール酸、ボロジマロン酸、ボロジコハク酸、ボロジアジピン酸、ボロジアゼライン酸、ボロジ安息香酸、ボロジマレイン酸、ボロジ乳酸、ボロジリンゴ酸、ボロジ酒石酸、ボロジクエン酸、ボロジフタル酸、ボロジ(2-ヒドロキシ)イソ酪酸、ボロジレゾルシン酸、ボロジメチルサリチル酸、ボロジナフトエ酸、ボロジマンデル酸及びボロジ(3-ヒドロキシ)プロピオン酸等が挙げられる。
 カチオン成分としては、アンモニウム、四級アンモニウム、四級化アミジニウム、アミン、ナトリウム、カリウム等が挙げられる。四級アンモニウムとしてはテトラメチルアンモニウム、トリエチルメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム等が挙げられる。四級化アミジニウムとしては、エチルジメチルイミダゾリニウム、テトラメチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミンが挙げられる。一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミンなど、二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、エチルメチルアミン、ジブチルアミンなど、三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、エチルジメチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等が挙げられる。
 さらに、電解液には他の添加剤を添加することもできる。添加剤としては、ホウ酸と多糖類(マンニット、ソルビットなど)との錯化合物、ホウ酸と多価アルコールとの錯化合物、ホウ酸エステル、ニトロ化合物、リン酸エステル、コロイダルシリカなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。ニトロ化合物は、電解コンデンサ内の水素ガスの発生量を抑制する。ニトロ化合物としては、o-ニトロ安息香酸、m-ニトロ安息香酸、p-ニトロ安息香酸、o-ニトロフェノール、m-ニトロフェノール、p-ニトロフェノール等が挙げられる。
 尚、アニオン及びカチオンは、イオン解離性のある塩の状態で電解液に添加されてもよいし、アニオンとなる酸及びカチオンとなる塩基を溶質成分として別々に電解液に添加してもよい。アニオン及びカチオンは、それぞれ単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解液は、アニオン成分とカチオン成分に解離するイオン解離性塩及び添加剤を含まず、グリセリン類のみで組成されていてもよい。
 (固体電解質)
 固体電解質は、二酸化マンガン又は7,7,8,8-テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体の他、導電性高分子が挙げられる。導電性高分子は、分子内ドーパントによりドーピングされた自己ドープ型の共役系高分子、又は外部ドーパント分子によりドーピングされた共役系高分子である。共役系高分子は、π共役二重結合を有するモノマー又はその誘導体を化学酸化重合または電解酸化重合することによって得られる。ドーパント又は外部ドーパント分子は、共役系高分子に電子を受け入れやすいアクセプター、もしくは電子を与えやすいドナーであり、これにより導電性高分子は高い導電性を発現する。
 共役系高分子としては、公知のものを特に限定なく使用することができる。例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリチオフェンビニレンなどが挙げられる。これら共役系高分子は、単独で用いられてもよく、2種類以上を組み合わせても良く、更に2種以上のモノマーの共重合体であってもよい。
 上記の共役系高分子の中でも、チオフェン又はその誘導体が重合されて成る共役系高分子が好ましく、3,4-エチレンジオキシチオフェン(すなわち、2,3-ジヒドロチエノ[3,4-b][1,4]ジオキシン)、3-アルキルチオフェン、3-アルコキシチオフェン、3-アルキル-4-アルコキシチオフェン、3,4-アルキルチオフェン、3,4-アルコキシチオフェン又はこれらの誘導体が重合された共役系高分子が好ましい。チオフェン誘導体としては、3位と4位に置換基を有するチオフェンから選択された化合物が好ましく、チオフェン環の3位と4位の置換基は、3位と4位の炭素と共に環を形成していても良い。アルキル基やアルコキシ基の炭素数は1~16が適している。
 特に、EDOTと呼称される3,4-エチレンジオキシチオフェンの重合体、即ち、PEDOTと呼称されるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)が好ましい。また、3,4-エチレンジオキシチオフェンに置換基が付加されていてもよい。例えば、置換基として炭素数が1~5のアルキル基が付加されたアルキル化エチレンジオキシチオフェンが用いられてもよい。アルキル化エチレンジオキシチオフェンとしては、例えば、メチル化エチレンジオキシチオフェン(すなわち、2-メチル-2,3-ジヒドロ-チエノ〔3,4-b〕〔1,4〕ジオキシン)、エチル化エチレンジオキシチオフェン(すなわち、2-エチル-2,3-ジヒドロ-チエノ〔3,4-b〕〔1,4〕ジオキシン)、ブチル化エチレンジオキシチオフェン(すなわち、2-ブチル-2,3-ジヒドロ-チエノ〔3,4-b〕〔1,4〕ジオキシン)などが挙げられる。
 ドーパントは、公知のものを特に限定なく使用することができる。ドーパントは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、高分子又は単量体を用いてもよい。例えば、ドーパントとしては、ポリアニオン、ホウ酸、硝酸、リン酸などの無機酸、酢酸、シュウ酸、クエン酸、酒石酸、スクアリン酸、ロジゾン酸、クロコン酸、サリチル酸、p-トルエンスルホン酸、1,2-ジヒドロキシ-3,5-ベンゼンジスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ボロジサリチル酸、ビスオキサレートボレート酸、スルホニルイミド酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、プロピルナフタレンスルホン酸、ブチルナフタレンスルホン酸などの有機酸が挙げられる。
 ポリアニオンは、例えば、置換若しくは未置換のポリアルキレン、置換若しくは未置換のポリアルケニレン、置換若しくは未置換のポリイミド、置換若しくは未置換のポリアミド、置換若しくは未置換のポリエステルであって、アニオン基を有する構成単位のみからなるポリマー、アニオン基を有する構成単位とアニオン基を有さない構成単位とからなるポリマーが挙げられる。具体的には、ポリアニオンとしては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、ポリ(2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸)、ポリイソプレンスルホン酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸などが挙げられる。
 (他の構成)
 陽極体及び陰極体は弁作用金属を基材とする箔体である。箔体は、弁作用金属等を延伸して形成してもよいし、弁作用金属の粉末を焼結して形成してもよい。巻回型の電解コンデンサでは、陽極体は長尺の帯形状を有し、積層型及び平板型の電解コンデンサでは、陽極体は平板である。弁作用金属は、アルミニウム、タンタル、ニオブ、酸化ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス及びアンチモン等である。純度は、陽極体に関して99.9%以上が望ましく、陰極体に関して99%程度以上が望ましいが、ケイ素、鉄、銅、マグネシウム、亜鉛等の不純物が含まれていても良い。
 陽極箔の片面又は両面には、拡面層が形成されている。陰極箔の片面又は両面にも拡面層を形成してもよい。拡面層は、箔体にエッチング処理を施したエッチング層、弁作用金属の粉体を焼結した焼結層、又は箔に弁作用金属粒子を蒸着した蒸着層である。即ち、拡面層は、多孔質構造を有し、トンネル状のピット、海綿状のピット、又は密集した粉体若しくは粒子間の空隙により成る。トンネル状のエッチングピットは、箔厚み方向に掘り込まれた孔である。また、海綿状のエッチングピットによって、拡面層は、空間状に細かい空隙が連なり拡がったスポンジ状の層になる。
 誘電体皮膜は、拡面層が形成された陽極体の片面又は両面に形成されている。拡面層が形成されている場合、拡面層の凹凸に沿って、拡面層の表層に形成されている。誘電体皮膜は、典型的には、陽極体の表層に形成される酸化皮膜であり、陽極体がアルミニウム製であれば、拡面層の表面を酸化させた酸化アルミニウム層である。この誘電体皮膜は、アジピン酸、ホウ酸又はリン酸等の水溶液中で電圧印加する化成処理により形成される。また、陰極箔の表層に必要に応じて化成処理により薄い誘電体皮膜(1~10V程度)を形成してもよい。陰極箔の表層には、自然酸化皮膜が形成されていてもよい。自然酸化皮膜は、陰極体が空気中の酸素と反応することにより形成される。
 セパレータは、クラフト、マニラ麻、エスパルト、ヘンプ、レーヨン等のセルロースおよびこれらの混合紙、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、それらの誘導体などのポリエステル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ビニロン系樹脂、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド等のポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、トリメチルペンテン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂等が挙げられ、これらの樹脂を単独で又は混合して用いることができる。
 (製造方法)
 このような電解コンデンサは、素子形成工程、含浸工程、収容工程、封口体を作製する工程、及び封止工程を経て作製される。素子形成工程は、陽極体を形成する陽極形成工程、陰極体を形成する陰極形成工程、陽極体と陰極体とをセパレータを介して積層する積層体形成工程、積層体内に固体電解質を形成する固体電解質形成工程とを含んでいる。積層体形成工程では、帯状の陽極体と陰極体とセパレータを巻回し、積層体を巻回体として形成してもよい。
 巻回の後、陽極体及び陰極体を所望の幅に切断した際に露出した弁作用金属の地金部分、及び巻回等の物理的ストレスによって生じた陽極体及び陰極体の欠陥を修復する修復化成工程を設けてもよい。
 固体電解質形成工程では、例えば導電性高分子液によって、陽極体と陰極体の間に固体電解質層を形成する。導電性高分子液は、導電性高分子を分散又は溶解させた液体である。導電性高分子液の分散媒又は溶媒は、導電性高分子の粒子又は粉末が分散又は溶解するものであればよく、例えば水、又は水と有機溶媒の混合液である。有機溶媒としては、極性溶媒、アルコール類、エステル類、炭化水素類、カーボネート化合物、エーテル化合物、鎖状エーテル類、複素環化合物、ニトリル化合物などが好適に例示できる。
 導電性高分子液を積層体に含浸させる含浸法を用いることで、固体電解質を積層体内に形成する。または、陽極体に導電性高分子を付着させる。導電性高分子液は、1回又は複数回浸漬又は塗布してもよい。積層体を減圧環境下に置いて導電性高分子液を含浸させてもよい。導電性高分子液を含浸又は塗布した後は、乾燥工程により溶媒を除去する。
 含浸工程では、コンデンサ素子を電解液に浸漬し、コンデンサ素子内の空隙に含浸させる。電解液をより細かな空隙内に含浸させるべく、必要に応じて減圧処理や加圧処理を行ってもよい。電解液の含浸工程は複数回繰り返してもよい。例えば、コンデンサ素子の内部を減圧し、電解液を加圧しながらコンデンサ素子の内部に電解液を注入してもよい。
 収容工程では、コンデンサ素子を外装ケースに収容し、封止工程では、封口体で外装ケースの開口を封止する。外装ケースにコンデンサ素子を封止した後、電解コンデンサは、エージング工程を経て作製が完了する。エージング工程では、電解コンデンサに直流電圧を印加して誘電体皮膜等の欠陥箇所を修復する。
 封止工程で用いられる封口体は、170℃の温度環境下に1000時間晒された後、JIS K7171の3点曲げ試験により、曲げ歪み変化率が-30%以内である封口体を作製する工程を経て作製される。
 含浸工程及び封止工程では、電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上になるように、コンデンサ素子に含浸する電解液の重量と封口体の形状及び大きさの組み合わせを選択する。
 以下、実施例に基づいて本発明の電解コンデンサをさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
 (実施例1乃至9)
 実施例1の電解コンデンサを作製した。陽極箔は、アルミニウム箔であり、エッチング処理により拡面化し、化成処理により誘電体皮膜を形成した。陰極箔もアルミニウム箔であり、エッチング処理により拡面化し、化成処理により酸化皮膜を形成した。各々にリード線を接続し、マニラ系セパレータを介して陽極箔と陰極箔を対向させて巻回した。コンデンサ素子は、リン酸二水素アンモニウム水溶液に10分間浸漬されることで、修復化成が行われた。
 次に、導電性高分子としてポリスチレンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT/PSS)の分散液を準備し、コンデンサ素子を浸漬し、コンデンサ素子を引き上げ、150℃で30分間乾燥させた。これにより、コンデンサ素子に固体電解質を形成した。
 40wt%のグリセリンと60wt%のエチレングリコールで組成された溶媒に対して、アゼライン酸アンモニウムを添加することで、電解液を調製した。アゼライン酸アンモニウムは1kgの電解液に対して0.16molの割合で添加された。導電性高分子が形成されたコンデンサ素子をこの電解液に浸漬し、コンデンサ素子内に電解液を含浸させた。
 このコンデンサ素子をアルミニウムケースに収容した。アルミニウムケースの開口端部には封口体を取り付け、加締め加工によりアルミニウムケースを封止した。封口体は弾性体のみから成る。弾性体は、31wt%のエラストマー、16wt%のカーボン、40wt%の無機充填剤、加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤から成る。加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤は、総量が12wt%となるように添加されている。エラストマーは全量がレギュラーブチルである。カーボンは、フタル酸ジブチル吸収量が50ml/100gのカーボンブラックである。
 コンデンサ素子をアルミニウムケースに収容して封口体で封止した後は、電解コンデンサに対してエージング処理を行った。エージング処理では、電解コンデンサに直流電圧を印加し、電解コンデンサの巻回等の作製で損傷した誘電体皮膜の修復を行った。
 更に、実施例2乃至8並びに比較例1乃至10の電解コンデンサを作製した。これら電解コンデンサは、実施例1と比べて、電解液の溶媒を構成するグリセリンとエチレングリコールの組成比と、弾性体に含まれるエラストマーの含有量が異なる。実施例2乃至8並びに比較例1乃至10の電解コンデンサの他の構成は、実施例1と同一である。
 比較例1乃至3の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して0wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して100wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例1は27wt%、比較例2は31wt%、比較例3は36wt%である。
 比較例4乃至6の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して20wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して80wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例4は27wt%、比較例5は31wt%、比較例6は36wt%である。
 比較例7並びに実施例1及び2の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して40wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して60wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例7は27wt%、実施例1は31wt%、実施例2は36wt%である。
 比較例8並びに実施例3及び4の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して60wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して40wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例8は27wt%、実施例3は31wt%、実施例4は36wt%である。
 比較例9並びに実施例5及び6の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して80wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して20wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例9は27wt%、実施例5は31wt%、実施例6は36wt%である。
 比較例10並びに実施例7及び8の電解コンデンサでは、電解液中のグリセリン含有量が溶媒全体に対して100wt%であり、電解液中のエチレングリコール含有量が溶媒全体に対して0wt%である。封口体を構成する弾性体中のエラストマー含有量が、比較例10は27wt%、実施例7は31wt%、実施例8は36wt%である。
 尚、弾性体中のエラストマー含有量が27wt%の場合、弾性体には17wt%のカーボン、45wt%の無機充填剤、加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤が含まれる。加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤は総量が11wt%となるように添加された。弾性体中のエラストマー含有量が36wt%の場合、弾性体には14wt%のカーボン、37wt%の無機充填剤、加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤が含まれる。加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤は総量が13wt%となるように添加された。
 (3点曲げ試験)
 比較例7、実施例1及び実施例2の弾性体を高温下に晒しながら時間経過毎に3点曲げ試験を行い、曲げ歪み変化量を測定した。比較例7の弾性体は、弾性体全体に対してエラストマーを27wt%含み、実施例1の弾性体は、弾性体全体に対してエラストマーを31wt%含み、実施例2の弾性体は、弾性体全体に対してエラストマーを36wt%含む。
 3点曲げ試験において、比較例7、実施例1及び実施例2の弾性体は、170℃の温度下に晒した。3点曲げ試験は、170℃の温度下に晒す直前、500時間経過後、及び1000時間経過後に測定した。弾性体から厚さが2mm、長さが40mm及び幅が25mmの試験片を切り取り、支点間距離が32mmの支持台に載せ、1mm/minの試験速度で圧子によって試験片の中央に力を加えた。そして、試験片にクラックが生じるまでの曲げ歪みを測定した。また、170℃の温度下に晒す直前に対する、1000時間経過後の曲げ歪み変化率を計算した。曲げ歪み変化率は、170℃の温度下で1000時間経過後の曲げ歪み(%)から170℃の温度下に晒す直前の曲げ歪み(%)を差分し、170℃の温度下に晒す直前の曲げ歪み(%)に対する差分値の百分率により算出した。
 比較例7、実施例1及び実施例2の弾性体の曲げ歪み変化率と熱処理時間との関係を図1のグラフに示す。図1中、四角のプロットの系列は実施例1であり、丸印のプロットの系列は実施例2であり、菱形のプロットの系列は比較例7である。また、比較例7、実施例1及び実施例2の弾性体の1000時間経過後の曲げ歪み変化率を下表1に示す。
 (表1)
 図1に示すように、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して27wt%の比較例7と比べて、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%及び36wt%の実施例1及び実施例2の弾性体は、1000時間経過後も曲げ歪みの変化が抑制されている。
 具体的には、表1に示すように、比較例1の弾性体は曲げ歪み変化率が-66%に達しているのに対し、実施例1及び実施例2の弾性体の曲げ歪み変化率は-30%に収まっていることが確認された。即ち、ブチルゴムを含み、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上の弾性体は、高温に長時間晒されても柔軟性が保持されてクラックが生じ難くなっていることが確認された。
 (静電容量試験)
 実施例1乃至8並びに比較例1乃至10の電解コンデンサを170℃の高温環境下に晒した。そして、高温環境下に晒す直前、及び高温環境下に2500時間晒した段階で、各電解コンデンサの静電容量(Cap)を測定し、高温環境下に晒す前後で静電容量の変化率であるΔCap(%)を算出した。すなわち、ΔCapは170℃環境下で2500時間経過後のCapから170℃環境下に晒す前のCapを差分し、170℃環境下に晒す前のCapに対する差分値の百分率により算出した。静電容量は、LCRメーター(株式会社エヌエフ回路設計ブロック製、Agilent ZM2376)を用いて測定された。測定時の周囲温度は25℃であり、DCバイアスを1.5V、交流電流レベルを1.0Vrmsの正弦波、測定周波数を120Hzとした。
 実施例1乃至8並びに比較例1乃至10の電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapを下表2に示す。
(表2)
 表2に示すように、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上であると、ΔCapは低く抑えられている。例えば、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して27wt%である電解コンデンサは、殆どが静電容量を得られなくなっている。これに対して、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上である電解コンデンサは、最悪でも比較例3が示すように静電容量が半分程度に維持されている。
 更に、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上である電解コンデンサの中でも、グリセリンが電解液の溶媒全体に対して40wt%以上である実施例1乃至8は、ΔCapが-16%以上である。即ち、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上である電解コンデンサの中でも、グリセリンが電解液の溶媒全体に対して40wt%以上であると、高温下に長時間晒されていても、静電容量が良好に維持されている。
 このように、ブチルゴムを含み、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上であると、曲げ歪み変化率が-30%以内に収まり、グリセリンが電解液の溶媒全体に対して40wt%以上である条件が加わると、高温下に長時間晒されていても、静電容量が良好に維持されていることが確認された。
 更に、実施例9及び10の電解コンデンサを作製した。実施例9の電解コンデンサは、電解液の溶媒としてグリセリンとエチレングリコールの組み合わせに代えて、グリセリンとスルホランを用いた点で、実施例3と異なる。また、実施例10の電解コンデンサは、電解液の溶媒としてグリセリンとポリエチレングリコールを用いた点で、実施例3と異なる。溶媒の組み合わせが変わった他は、グリセリンの比率が60wt%であること、封口体の弾性体にブチルゴムが含まれ、エラストマー含有量が弾性体全体に対して31wt%であることを含め、電解コンデンサの構成、組成、製造方法及び製造条件は実施例3と同一である。
 この実施例9及び10についても、電解コンデンサを170℃の高温環境下に晒した。そして、高温環境下に晒す直前、及び高温環境下に2500時間晒した段階で、各電解コンデンサの静電容量(Cap)を測定し、高温環境下に晒す前後で静電容量の変化率であるΔCap(%)を算出した。静電容量の測定方法は実施例3と同一である。
 実施例9及び10の電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapを実施例3と共に下表3に示す。
(表3)
 実施例9及び10の静電容量の変化率であるΔCap(%)は、実施例3と大きく変わることはない。実施例9及び10の静電容量の変化は、比較例1乃至10と比べて小さく抑えられた。即ち、グリセリンと混合される他の溶媒は、エチレングリコール、スルホラン及びポリエチレングリコールの何れであろうとも、ブチルゴムを含み、エラストマーの含有量が弾性体全体に対して31wt%以上であり、またグリセリンが電解液の溶媒全体に対して40wt%以上であると、高温下に長時間晒されていても、静電容量が良好に維持されていることが確認された。
 (実施例11A~C乃至17A~C)
 実施例11乃至17の弾性体を作製した。これら封口体の弾性体に含まれるカーボンの種類が実施例1と異なる。実施例1では、フタル酸ジブチル吸収量(以下、DBP吸収量という)が50ml/100gのカーボンブラックを弾性体中に16wt%含有させた。これに対し、実施例11乃至17では、フタル酸ジブチル吸収量が38.5から139ml/100gのカーボンブラックを弾性体中に含有させている。実施例11乃至17におけるカーボンの含有割合は実施例1と同一である。
 実施例11では、DBP吸収量が38.5ml/100gのカーボンブラック(Cancarb社製、THERMAX N990:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。実施例12では、DBP吸収量が50ml/100gのカーボンブラック(旭カーボン社製、旭#35 N754:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。実施例13では、DBP吸収量が53ml/100gのカーボンブラック(東海カーボン社製、トーカブラック#7550SB :ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。
 実施例14では、DBP吸収量が75ml/100gのカーボンブラック(旭カーボン社製、旭#70L N326:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。実施例15では、DBP吸収量が110ml/100gのカーボンブラック(旭カーボン社製、旭#60U N550:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。実施例16では、DBP吸収量が126ml/100gのカーボンブラック(日鉄カーボン社製、ニテロン#300IH N234:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。実施例17では、DBP吸収量が140ml/100gのカーボンブラック(日鉄カーボン社製、ニテロン#SH N765:ASTM D 1765-01)を弾性体中に16wt%含有させた。
 封口体は弾性体のみから成る。実施例11乃至17の弾性体は、32wt%のエラストマー、16wt%のカーボン、42wt%の無機充填剤、加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤から成る。エラストマーは全量がレギュラーブチルである。加硫剤、ステアリン酸、亜鉛華及びシランカップリング剤は総量が10wt%となるように添加された。
 電解液は、電解液種A乃至Cの3種類用意した。電解液種Aの溶媒は、40wt%のグリセリンと60wt%のエチレングリコールで組成されている。電解液種Bの溶媒は60wt%のグリセリンと40wt%のエチレングリコールで組成されており、電解液種Cの溶媒は80wt%のグリセリンと20wt%のエチレングリコールで組成されている。電解液種A乃至Cの電解質はアゼライン酸アンモニウムであり、アゼライン酸アンモニウムは1kgの電解液に対して0.16molの割合で添加された。
 実施例11乃至17の弾性体と電解液種Aの電解液を組み合わせた電解コンデンサを実施例11A乃至17Aと呼ぶ。実施例11乃至17の弾性体と電解液種Bの電解液を組み合わせた電解コンデンサを実施例11B乃至17Bと呼ぶ。実施例11乃至17の弾性体と電解液種Cの電解液を組み合わせた電解コンデンサを実施例11C乃至17Cと呼ぶ。これら電解コンデンサは、弾性体と電解液を除き、実施例1と同一製造方法及び製造条件で作製され、実施例1と同一構成を有する。
 これら実施例11A~C乃至17A~Cについても、電解コンデンサを170℃の高温環境下に晒した。そして、高温環境下に晒す直前、及び高温環境下に1400時間晒した段階で、各電解コンデンサの静電容量(Cap)を測定し、高温環境下に晒す前後で静電容量の変化率であるΔCap(%)を算出した。静電容量の測定方法は実施例3と同一である。
 また、高温環境下に1400時間晒した段階で、各電解コンデンサの漏れ電流(μA)を測定した。漏れ電流は、20℃の温度環境下で、35Vを印加してから120秒間経過後のオシロスコープの値とした。
 実施例11A乃至17Aの電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapと漏れ電流を下表4に示す。実施例11B乃至17Bの電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapと漏れ電流を下表5に示す。実施例11C乃至17Cの電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapと漏れ電流を下表6に示す。
 (表4)
 (表5)
 (表6)
 表4に示すように、実施例11A乃至17Aの電解コンデンサは何れもΔCapにおいて優れている。更に、実施例11A乃至14Aの電解コンデンサは、実施例15A乃至17Aと比べて、漏れ電流が最大で95分の1程度と低い点で優れている。
 表5に示すように、実施例11B乃至17Bの電解コンデンサは何れもΔCapにおいて優れている。更に、実施例11B乃至14Bの電解コンデンサは、実施例15B乃至17Bと比べて、漏れ電流が最大で126分の1程度と低い点で優れている。
 表6に示すように、実施例11C乃至17Cの電解コンデンサは何れもΔCapにおいて優れている。更に、実施例11C乃至14Cの電解コンデンサは、実施例15C乃至17Cと比べて、漏れ電流が最大で200分の1程度と低い点で優れている。
 実施例11A乃至14A、実施例11B乃至14B並びに実施例11C乃至14Cの電解コンデンサは、何れも、DBP吸収量が80ml/100g以下のカーボンブラックを封口体の弾性体に含有させている。このため、電解コンデンサは、高温環境下で静電容量の低下が抑制されるだけでなく、漏れ電流の増加も抑えられているものである。
 従って、封口体の弾性体に31wt%以上のブチルゴムを含有させ、電解液にグリセリン、ジグリセリン又は両方を溶媒中40wt%以上含有させ、弾性体に合計50wt%以上60wt%以下のカーボン及び無機充填剤を含ませ、且つそのカーボンをDBP吸収量が80ml/100g以下のカーボンブラックとすることで、静電容量の変化が抑制されるだけでなく、電解コンデンサの漏れ電流が飛躍的に抑制されることが確認された。
 (実施例18A~B乃至22A~B)
 実施例18A乃至22A並びに実施例18B乃至22Bの電解コンデンサを作製した。実施例18A乃至22Aの電解コンデンサは、電解液の量が実施例1と異なる他は、電解液中のグリセリンの量が溶媒全量に対して40wt%である点を含めて実施例1と同一構成である。実施例18B乃至22Bの電解コンデンサは、電解液の量が実施例3と異なる他は、電解液中のグリセリンの量が溶媒全量に対して60wt%である点を含めて実施例3と同一構成である。
 実施例18A乃至22A並びに実施例18B乃至22Bの電解コンデンサで用いられた封口体は円柱体であり、4.72mmの半径を有し、2.5mmの高さを有している。実施例18A乃至22A並びに実施例18B乃至22Bの電解コンデンサが備える電解液の重量を変えることで、各電解コンデンサの各電解液搭載量係数Rは次の通りに調整された。
 即ち、実施例18A及び18Bの電解液搭載量係数Rは5.00mg・mm/mmであった。実施例19A及び19Bの電解液搭載量係数Rは4.29mg・mm/mmであった。実施例20A及び20Bの電解液搭載量係数Rは3.93mg・mm/mmであった。実施例21A及び21Bの電解液搭載量係数Rは3.57mg・mm/mmであった。実施例22A及び22Bの電解液搭載量係数Rは3.21mg・mm/mmであった。
 これら実施例18A乃至22A並びに18B乃至22Bについても、電解コンデンサを170℃の高温環境下に晒した。そして、高温環境下に晒す直前、及び高温環境下に1400時間晒した段階で、各電解コンデンサの静電容量(Cap)を測定し、高温環境下に晒す前後で静電容量の変化率であるΔCap(%)を算出した。静電容量の測定方法は実施例3と同一である。
 また、高温環境下に1400時間晒した段階で、各電解コンデンサのtanδを測定した。tanδは、LCRメーターを用いて室温下で測定した。tanδの測定周波数は120Hzであり、交流振幅は0.5Vmsの正弦波である。
 実施例18A乃至22Aの電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapとtanδを下表7に示す。実施例18B乃至22Bの電解コンデンサの静電容量の変化率ΔCapとtanδを下表8に示す。また、下表7及び下表8の結果を図2のグラフに示す。図2において、横軸は電解液搭載量係数Rであり、縦軸はtanδであり、丸印のプロットが実施例18A乃至22Aの系列であり、三角印のプロットが実施例18B乃至22Bの系列である。
 (表7)
 (表8)
 表7及び図2の丸印の系列に示すように、実施例18A乃至22Aの電解コンデンサは何れもΔCapにおいて優れている。更に、実施例18A乃至20Aの電解コンデンサは、実施例21A及び22Aと比べて、tanδが大きく下がっている。表8及び図2に示すように、実施例18B乃至22Bの電解コンデンサは何れもΔCapにおいて優れている。更に、実施例18B乃至20Bの電解コンデンサは、実施例21B及び22Bと比べて、tanδが大きく下がっている。
 実施例18A乃至20A、並びに実施例18B乃至20Bの電解コンデンサは、何れも、電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上になるように、電解液と封口体の寸法が調整されている。このため、電解コンデンサは、高温環境下で静電容量の低下が抑制されるだけでなく、tanδも抑えられているものである。
 このように、封口体の弾性体に31wt%以上のブチルゴムを含有させ、電解液にグリセリン、ジグリセリン又は両方を溶媒中40wt%以上含有させ、弾性体に合計50wt%以上60wt%以下のカーボン及び無機充填剤を含ませ、電解液搭載量係数Rを3.93mg・mm/mm以上とすることで、静電容量の変化が抑制されるだけでなく、電解コンデンサのtanδを低くできることが確認された。

Claims (10)

  1.  陽極体と陰極体と電解液と固体電解質とを有するコンデンサ素子と、
     前記コンデンサ素子を収容するケースと、
     前記ケースを封口する封口体と、
     を備え、
     前記封口体は、エラストマーを含む弾性体を有し、
     前記エラストマーは、ブチルゴムを含み、且つ前記弾性体に対して31wt%以上含有し、
     前記電解液は、グリセリン、ジグリセリン又は両方を当該電解液の溶媒中40wt%以上含むこと、
     を特徴とする電解コンデンサ。
  2.  前記エラストマーの含有量は、前記弾性体に対して36wt%以下であること、
     を特徴とする請求項1記載の電解コンデンサ。
  3.  前記封口体は、170℃の温度環境下に1000時間晒された後、JIS K7171の3点曲げ試験により、曲げ歪み変化率が-30%以内であること、
     を特徴とする請求項1又は2記載の電解コンデンサ。
  4.  前記弾性体は、合計50wt%以上60wt%以下のカーボン及び無機充填剤を含むこと、
     を特徴とする請求項1又は2記載の電解コンデンサ。
  5.  前記カーボンは、フタル酸ジブチル吸収量が80ml/100g以下のカーボンブラックであること、
     を特徴とする請求項4記載の電解コンデンサ。
  6.  前記電解液は、以下数式(数1)で示される電解液搭載量係数Rが3.93mg・mm/mm以上であること、
     を特徴とする請求項4記載の電解コンデンサ。
  7.  前記ブチルゴムは、アルキルフェノール樹脂によって架橋されていること、
     を特徴とする請求項1又は2記載の電解コンデンサ。
  8.  前記電解液は、エチレングリコール、スルホラン、又はこれらの両方を含むこと、
     を特徴とする請求項1又は2記載の電解コンデンサ。
  9.  陽極体と陰極体と固体電解質とを有するコンデンサ素子の素子形成工程と、
     前記コンデンサ素子に、グリセリン、ジグリセリン又は両方を当該電解液の溶媒中40wt%以上含む電解液を含浸する含浸工程と、
     前記コンデンサ素子をケースに収容する収容工程と、
     前記ケースを、エラストマーを含む弾性体を有し、当該エラストマーにはブチルゴムが含まれ、且つ前記弾性体に対して当該エラストマーが31wt%以上含有する封口体で封止する封止工程と、
     を有すること、
     を特徴とする電解コンデンサの製造方法。
  10.  170℃の温度環境下に1000時間晒された後、JIS K7171の3点曲げ試験により、曲げ歪み変化率が-30%以内となる前記封口体を作製する工程を有すること、
     を特徴とする請求項9記載の電解コンデンサの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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