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WO2015119020A1 - 固体電解コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

固体電解コンデンサ及びその製造方法 Download PDF

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WO2015119020A1
WO2015119020A1 PCT/JP2015/052395 JP2015052395W WO2015119020A1 WO 2015119020 A1 WO2015119020 A1 WO 2015119020A1 JP 2015052395 W JP2015052395 W JP 2015052395W WO 2015119020 A1 WO2015119020 A1 WO 2015119020A1
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WO
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acid
conductive polymer
solid electrolytic
electrolytic capacitor
capacitor element
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French (fr)
Inventor
良弥 小関
坂倉　正郎
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Nippon Chemi Con Corp
Original Assignee
Nippon Chemi Con Corp
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Publication date
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    • H01G9/15—Solid electrolytic capacitors
    • H01G9/151—Solid electrolytic capacitors with wound foil electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a solid electrolytic capacitor and a method for manufacturing the same, and particularly to a solid electrolytic capacitor suitable for high voltage applications of 80 V or higher and a method for manufacturing the same.
  • An electrolytic capacitor using a metal having a valve action such as tantalum or aluminum is obtained by expanding the dielectric by making the valve action metal as the anode-side counter electrode into the shape of a sintered body or an etching foil. Since it is small and a large capacity can be obtained, it is widely used.
  • a solid electrolytic capacitor using a solid electrolyte as an electrolyte has features such as small size, large capacity, low equivalent series resistance, easy to chip, and suitable for surface mounting. It is indispensable for miniaturization, high functionality and low cost of electronic equipment.
  • an anode foil and a cathode foil made of a valve metal such as aluminum are generally wound with a separator interposed therebetween to form a capacitor element. It is impregnated with a driving electrolyte, and has a sealed structure in which a capacitor element is housed in a metal case such as aluminum or a case made of synthetic resin.
  • a metal case such as aluminum or a case made of synthetic resin.
  • the anode material aluminum, tantalum, niobium, titanium and the like are used, and as the cathode material, the same kind of metal as the anode material is used.
  • Patent Document 1 As solid electrolytes used for solid electrolytic capacitors, manganese dioxide and 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complexes are known. There is a technique (Patent Document 1) that focuses on a conductive polymer such as polyethylenedioxythiophene (hereinafter referred to as PEDOT) having excellent adhesion to an oxide film layer of an electrode.
  • PEDOT polyethylenedioxythiophene
  • a solid electrolytic capacitor of a type in which a solid electrolyte layer made of a conductive polymer such as PEDOT is formed on such a wound capacitor element is manufactured as follows. First, the surface of the anode foil made of valve action metal such as aluminum is roughened by electrochemical etching treatment in an aqueous chloride solution to form many etching pits, and then in an aqueous solution such as ammonium borate. A voltage is applied to form an oxide film layer serving as a dielectric (chemical conversion). Similar to the anode foil, the cathode foil is made of a valve metal such as aluminum, and the surface thereof is etched.
  • the anode foil and the cathode foil having the oxide film layer formed on the surface are wound through a separator to form a capacitor element.
  • a polymerizable monomer such as 3,4-ethylenedioxythiophene (hereinafter referred to as EDOT) and an oxidant solution are respectively discharged into the capacitor element that has been subjected to restoration conversion, or immersed in a mixture of both.
  • EDOT 3,4-ethylenedioxythiophene
  • an oxidant solution are respectively discharged into the capacitor element that has been subjected to restoration conversion, or immersed in a mixture of both.
  • the polymerization reaction is accelerated in the capacitor element, and a solid electrolyte layer made of a conductive polymer such as PEDOT is generated.
  • the capacitor element is housed in a bottomed cylindrical outer case to produce a solid electrolytic capacitor.
  • Patent Document 2 proposes a conductive polymer containing polypyrrole or polyaniline in combination with an electrolyte containing ⁇ -butyrolactone or ethylene glycol.
  • JP-A-2-15611 Japanese Patent Laid-Open No. 11-186110
  • the present invention has been proposed in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid electrolytic capacitor excellent in characteristics in a high voltage application of 80 V or higher and a method for manufacturing the same.
  • the present inventors have used borodisalicylate as the solute of the electrolytic solution to be filled in the capacitor element, and by setting the salt concentration to a predetermined amount or less, the high pressure region.
  • the inventors have obtained knowledge that the ESR characteristics at a high temperature are improved, and have completed the present invention based on this knowledge.
  • the solid electrolytic capacitor of the present invention uses a conductive polymer dispersion in which conductive polymer particles are dispersed in a solvent in a capacitor element in which an anode electrode foil and a cathode electrode foil are wound via a separator.
  • the void in the capacitor element in which the solid electrolyte layer was formed was filled with an electrolyte solution containing less than 9 wt% of a compound compound of an inorganic acid and an organic acid as a solute. It is characterized by.
  • An example of a method for producing a solid electrolytic capacitor according to the present invention is as follows. That is, an anode foil and a cathode foil having an oxide film layer formed on the surface are wound through a separator to form a capacitor element, and this capacitor element is subjected to repair formation (first step). Subsequently, the capacitor element is impregnated with a conductive polymer dispersion in which conductive polymer particles are dispersed in a solvent to form a solid electrolyte layer (second step). Thereafter, the capacitor element is immersed in a predetermined electrolytic solution, and the electrolytic solution is filled in the void in the capacitor element in which the solid electrolyte layer is formed (third step). Then, this capacitor element is inserted into the outer case, a sealing rubber is attached to the opening end, and sealing is performed by caulking, and then aging is performed to form a solid electrolytic capacitor (fourth step).
  • the anode foil is made of a valve metal such as aluminum, and its surface is roughened by an etching process to form a large number of etching pits. Further, an oxide film layer serving as a dielectric is formed on the surface of the anode foil by applying a voltage in an aqueous solution of ammonium borate or the like.
  • a cathode foil made of aluminum or the like and having a surface subjected to etching treatment is used as the cathode foil.
  • a material subjected to chemical conversion treatment a material formed of a metal nitride, a metal carbide, or a metal carbonitride by a vapor deposition method, or a material containing carbon on the surface may be used. .
  • separator As the separator, a separator made of a nonwoven fabric mainly composed of synthetic fibers or a separator made of glass fibers can be used. As synthetic fibers, polyester fibers, nylon fibers, rayon fibers and the like are suitable. Moreover, you may use the separator which consists of natural fibers.
  • the chemical solution for restoration chemical conversion As the chemical solution for restoration chemical conversion, phosphoric acid type chemicals such as ammonium dihydrogen phosphate and diammonium hydrogen phosphate, boric acid type chemicals such as ammonium borate, and adipic acid type chemicals such as ammonium adipate, etc. Although a liquid can be used, it is preferable to use ammonium dihydrogen phosphate.
  • the immersion time is preferably 5 to 120 minutes.
  • the conductive polymer dispersion is preferably a mixture of PEDOT powder and a solid content of a dopant made of polystyrene sulfonic acid.
  • the solvent of the conductive polymer dispersion may be any solvent that dissolves the conductive polymer particles or powder, and water is mainly used.
  • ethylene glycol may be used alone or as a mixture as a solvent for the dispersion. It has been found that the use of ethylene glycol as a solvent for the dispersion can particularly reduce ESR among the electrical properties of the product.
  • various additives may be added to the conductive polymer dispersion, or neutralization may be performed by adding a cation.
  • ESR can be reduced, and deterioration of the withstand voltage characteristics due to lead-free reflow or the like can be prevented.
  • the time for impregnating the conductive polymer dispersion with the capacitor element is determined by the size of the capacitor element, but for a capacitor element having a diameter of about 5 mm ⁇ length of about 3 mm, it takes 5 seconds or more, and for a capacitor element having a diameter of about 9 mm ⁇ length of about 5 mm. 10 seconds or more is desirable, and it is necessary to impregnate at least 5 seconds. Even if impregnated for a long time, there is no adverse effect on characteristics. Moreover, after impregnating in this way, it is preferable to hold in a reduced pressure state. The reason is considered to be that the residual amount of the volatile solvent is reduced.
  • the impregnation and drying of the conductive polymer dispersion may be performed a plurality of times as necessary.
  • a solvent that can be used in the electrolytic solution it is preferable to use a solvent having a boiling point of 120 ° C. or higher, which is a life test temperature.
  • the solvent include ⁇ -butyrolactone, polyhydric alcohols such as ethylene glycol, sulfolane, dimethylformamide and the like.
  • the polyhydric alcohol include ethylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 1,2-propanediol, glycerin, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, and 2-methyl-2,4-pentanediol.
  • Low molecular weight polyhydric alcohols are preferred.
  • a mixed solvent comprising a low molecular weight polyhydric alcohol such as ethylene glycol and ⁇ -butyrolactone is used, the initial ESR characteristics are improved and the high temperature characteristics are also improved.
  • the initial ESR is reduced as compared with the case where a solvent not containing ethylene glycol is used, and the capacitance changes over a long period of use. It has been found that the rate ( ⁇ Cap) is small. The reason is that ethylene glycol has the effect of promoting the extension of the polymer chain of the conductive polymer, and therefore the conductivity is improved and the ESR is lowered.
  • a protic solvent having a hydroxyl group such as ethylene glycol, has a higher affinity with a separator, electrode foil, or conductive polymer than ⁇ -butyrolactone or sulfolane.
  • the amount of ethylene glycol added in the mixed solvent is preferably 5 wt% or more, more preferably 40 wt% or more, and most preferably 60 wt% or more.
  • the impregnation property of the electrolytic solution into the capacitor element can be improved.
  • ethylene glycol which has a relatively high viscosity
  • ⁇ -butyrolactone which has a low viscosity
  • the amount of ⁇ -butyrolactone added in the mixed solvent is preferably 40 wt% or less.
  • At least one solvent selected from sulfolane, 3-methylsulfolane, and 2,4-dimethylsulfolane may be additionally used in the mixed solvent composed of ethylene glycol and ⁇ -butyrolactone as ion conductive substances. Since these sulfolane-based solvents have a high boiling point, the transpiration of the electrolyte is suppressed and the high temperature characteristics are improved.
  • the addition amount of these sulfolane-based solvents in the mixed solvent is preferably 40 wt% or less.
  • a salt of a complex compound of an organic acid and an inorganic acid is used.
  • the salt include at least one ammonium salt, quaternary ammonium salt, quaternized amidinium salt, amine salt and the like.
  • the organic acid include 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, and azelain.
  • carboxylic acids such as acid, salicylic acid, succinic acid, and glycolic acid, and phenols.
  • Examples of the inorganic acid include boric acid, phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphoric acid ester, carbonic acid, and silicic acid.
  • Examples of the complex compound of an organic acid and an inorganic acid include borodisalicylic acid, borodisuccinic acid, borodiglycolic acid, and the like.
  • examples of at least one salt of the compound compound of the organic acid and the inorganic acid include ammonium salt, quaternary ammonium salt, quaternized amidinium salt, and amine salt.
  • examples of the quaternary ammonium ion of the quaternary ammonium salt include tetramethylammonium, triethylmethylammonium, and tetraethylammonium.
  • examples of quaternized amidinium include ethyldimethylimidazolinium and tetramethylimidazolinium.
  • examples of amines in amine salts include primary amines, secondary amines, and tertiary amines.
  • Examples of primary amines include methylamine, ethylamine, and propylamine.
  • Examples of secondary amines include dimethylamine, diethylamine, ethylmethylamine, and dibutylamine.
  • Examples of tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tributylamine, and ethyldiisopropylamine. Etc.
  • the amount of solute added using a salt of a complex compound of an organic acid and an inorganic acid, particularly borodisartylate is less than 9 wt%, preferably 7 wt%. Hereinafter, it is most preferably less than 5 wt%.
  • the salt of the composite compound has good compatibility with the conductive polymer in addition to the improvement of the chemical conversion property as the electrolytic solution, and the conductive polymer layer in the high temperature durability test is It is considered that the deterioration is less likely to occur, and it is considered that the lower the solute concentration, the more the deterioration of the conductive polymer layer is suppressed.
  • polyoxyethylene glycol complex compound of boric acid and polysaccharide (mannitol, sorbit, etc.), complex compound of boric acid and polyhydric alcohol, nitro compound (o-nitrobenzoic acid) M-nitrobenzoic acid, p-nitrobenzoic acid, o-nitrophenol, m-nitrophenol, p-nitrophenol, etc.), phosphoric acid esters and the like.
  • the filling amount is arbitrary as long as the gap in the capacitor element can be filled, but 3 to 100% of the gap in the capacitor element is preferable.
  • the capacitor element is impregnated with a predetermined electrolytic solution, and the electrolytic solution is filled in the void portion in the capacitor element, so that ESR at a high temperature is performed. Good characteristics.
  • electrolytic solutions in which the blending ratio of ethylene glycol and ammonium borodisalicylate was changed were prepared (Examples 1 to 4, Comparative Example 1).
  • Reference Example 1 an electrolytic solution in which ethylene glycol and triethylamine phthalate were blended at a ratio of 99: 1 was prepared. And the withstand voltage of these electrolyte solutions was evaluated.
  • Table 1 also shows the results obtained by impregnating the electrolytic solution prepared in Examples 1 to 4, Comparative Example 1 and Reference Example 1 into a measuring capacitor element and measuring the withstand voltage.
  • the measurement method was as described in Examples 1 to 4, Comparative Example 1 and Reference Example 1 without forming a conductive polymer layer on a capacitor element in which an anode foil having an oxide film and a cathode foil were wound through a separator.
  • the electrolytic solution was impregnated, and the breakdown voltage was measured at a current density of 10 mA at room temperature.
  • the withstand voltage was 171 V when the amount of ammonium borodisalicylate was 9 wt% (Comparative Example 1), 220 V at 7 wt% (Example 4), 251 V at 5 wt% (Example 3), 3 wt% was 272 V (Example 2) and 1 wt% was 281 V (Example 1), and the withstand voltage improved as the amount of ammonium borodisalicylate in the solute decreased. Moreover, when Example 1 and Reference Example 1 are compared, the withstand voltage is improved nearly three times even though the amount of solute is the same. For this reason, it has been found that the withstand voltage is remarkably improved by setting the amount of ammonium borodisalicylate to less than 9 wt%, particularly 7 wt% or less.
  • the withstand voltage was 170 V when the amount of trimethylamine borodisalicylate was 9 wt% (Comparative Example 2), 220 V at 7 wt% (Example 8), 250 V at 5 wt% (Example 7), 3 wt% was 270 V (Example 6), and 1 wt% was 280 V (Example 5).
  • the withstand voltage improved as the amount of trimethylamine borodisalicylate in the solute decreased. Further, when Example 5 and Reference Example 1 are compared, the withstand voltage is improved nearly three times despite the same amount of solute.
  • the withstand voltage is drastically improved when the amount of triethylamine borodisalicylate is less than 9 wt%, particularly 7 wt% or less.
  • the solid electrolytic capacitors of Examples 9 to 18 and Reference Example 2 were manufactured as follows. First, an electrode drawing means is connected to an anode foil and a cathode foil each having an oxide film layer formed on the surface, and both electrode foils are wound through a separator to form a capacitor element having a diameter of 10 mm ⁇ length of 12.5 mm. Formed. And this capacitor
  • PEDOT fine particles and polystyrene sulfonic acid were immersed in a conductive polymer dispersion dispersed in an aqueous solution containing 5 wt% of ethylene glycol, and the capacitor element was pulled up and dried at about 150 ° C. Further, this capacitor element was dipped in a conductive polymer dispersion and dried a plurality of times to form a conductive polymer layer made of a conductive polymer on the capacitor element. Thereafter, as shown in Table 3, this capacitor element was filled with an electrolytic solution in which the type of electrolytic solution and the mixing ratio of the solvent were changed (Examples 9 to 18 and Reference Example 2).
  • the compounding ratio of the electrolyte solution shown in Table 3 is shown in parts by weight.
  • condenser elements were inserted in the bottomed cylindrical exterior case, sealing rubber
  • the solid electrolytic capacitor has a rated voltage of 100 WV and a rated capacity of 33 ⁇ F.
  • Table 3 shows the results of the initial ESR characteristics, the ESR characteristics when subjected to a no-load standing test at 125 ° C. for 1500 hours, and ⁇ Cap for these solid electrolytic capacitors. In the present specification, all ESR characteristics show values at 100 kHz (20 ° C.).
  • Example 9 when the content of ethylene glycol as the solvent of the electrolytic solution is 100% compared to the other examples, the characteristic deterioration after the initial ESR and the high temperature test is minimized. I understood.
  • the initial ESR slightly increased when triethylamine phthalate was used as the solute of the electrolyte even when the content of ethylene glycol as the solvent of the electrolyte was 100%. .
  • the characteristic deterioration after the test was larger than that in Example 9, and in particular, the ESR was nearly three times larger.
  • Example 10 using ammonium borodisalicylate has a lower initial ESR than Example 16 using trimethylamine borodisalicylate. It was also found that the characteristic deterioration was small.
  • Example 16 using trimethylamine borodisalicylate has a lower initial ESR than Example 17 using triethylamine borodisalicylate. It was also found that the characteristic deterioration was small. As a result of the withstand voltage test separately conducted, the characteristics of Example 16 and Example 17 were equivalent.
  • Example 18 in which not only ethylene glycol but also polyoxyethylene glycol was added as a solvent was more effective than Example 10 in which polyoxyethylene glycol was not used as a solvent. ⁇ Cap after the high temperature test was improved. Thereby, it is thought that polyoxyethylene glycol is effective in improving ⁇ Cap after the high temperature test.
  • the solid electrolytic capacitors of Examples 19 to 21 and Comparative Example 3 were produced as follows. First, an electrode drawing means is connected to an anode foil and a cathode foil each having an oxide film layer formed on the surface, and both electrode foils are wound via a separator to form a capacitor element having a diameter of 10 mm ⁇ length of 12.5 mm Formed. And this capacitor
  • PEDOT fine particles and polystyrene sulfonic acid were immersed in a conductive polymer dispersion dispersed in an aqueous solution containing 5 wt% of ethylene glycol, and the capacitor element was pulled up and dried at about 150 ° C. Further, this capacitor element was dipped in a conductive polymer dispersion and dried a plurality of times to form a conductive polymer layer made of a conductive polymer on the capacitor element. Thereafter, as shown in Table 4, this capacitor element was filled with an electrolytic solution in which the blending ratio of ethylene glycol and ammonium borodisalicylate was changed (Examples 19 to 21 and Comparative Example 3).
  • phosphate ester and nitro compound were added as additives.
  • the additive was added so that the total amount of phosphate ester and nitro compound in the electrolyte was 2.5 wt%.
  • condenser elements were inserted in the bottomed cylindrical exterior case, sealing rubber
  • the solid electrolytic capacitor has a rated voltage of 100 WV and a rated capacity of 33 ⁇ F.
  • Table 4 shows the results of the initial ESR characteristics and the ESR characteristics when a no-load standing test is performed at 150 ° C. for 1000 hours with these solid electrolytic capacitors.
  • ESR is greatly reduced when the amount of ammonium borodisalicylate is less than 9 wt%, particularly 7 wt% or less.
  • the initial ESR of the electrolytic capacitor using only the electrolytic solution as the electrolyte is about 470 m ⁇ .
  • the ESR was 470 m ⁇ or less after the standing test as well as the initial ESR, and the electrical characteristics were excellent.

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Abstract

　８０Ｖ以上の高圧用途での特性に優れた固体電解コンデンサ及びその製造方法を提供する。陽極電極箔と陰極電極箔とをセパレータを介して巻回したコンデンサ素子に、導電性高分子の粒子が溶媒に分散した導電性高分子分散体を用いて固体電解質層を形成するとともに、該固体電解質層が形成されたコンデンサ素子内の空隙部に、溶質として無機酸と有機酸との複合化合物の塩を９ｗｔ％未満含有した電解液を充填させて固体電解コンデンサとした。

Description

固体電解コンデンサ及びその製造方法
　本発明は、固体電解コンデンサ及びその製造方法に係り、特に、８０Ｖ以上の高圧用途に好適な固体電解コンデンサ及びその製造方法に関するものである。
　タンタルあるいはアルミニウム等のような弁作用を有する金属を利用した電解コンデンサは、陽極側対向電極としての弁作用金属を焼結体ある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ることができることから、広く一般に用いられている。特に、電解質に固体電解質を用いた固体電解コンデンサは、小型、大容量、低等価直列抵抗であることに加えて、チップ化しやすく、表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化、低コスト化に欠かせないものとなっている。
　この種の固体電解コンデンサにおいて、小型、大容量用途としては、一般に、アルミニウム等の弁作用金属からなる陽極箔と陰極箔をセパレータを介在させて巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸し、アルミニウム等の金属製ケースや合成樹脂製のケースにコンデンサ素子を収納し、密閉した構造を有している。なお、陽極材料としては、アルミニウムを初めとしてタンタル、ニオブ、チタン等が使用され、陰極材料には、陽極材料と同種の金属が用いられる。
　また、固体電解コンデンサに用いられる固体電解質としては、二酸化マンガンや７，７，８，８－テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）錯体が知られているが、近年、反応速度が緩やかで、かつ陽極電極の酸化皮膜層との密着性に優れたポリエチレンジオキシチオフェン（以下、ＰＥＤＯＴと記す）等の導電性ポリマーに着目した技術（特許文献１）が存在している。
　このような巻回型のコンデンサ素子にＰＥＤＯＴ等の導電性ポリマーからなる固体電解質層を形成するタイプの固体電解コンデンサは、以下のようにして作製される。まず、アルミニウム等の弁作用金属からなる陽極箔の表面を塩化物水溶液中での電気化学的なエッチング処理により粗面化して、多数のエッチングピットを形成した後、ホウ酸アンモニウム等の水溶液中で電圧を印加して誘電体となる酸化皮膜層を形成する（化成）。陽極箔と同様に、陰極箔もアルミニウム等の弁作用金属からなり、その表面にはエッチング処理が施される。
　このようにして表面に酸化皮膜層が形成された陽極箔と陰極箔とを、セパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成する。続いて、修復化成を施したコンデンサ素子に、３，４－エチレンジオキシチオフェン（以下、ＥＤＯＴと記す）等の重合性モノマーと酸化剤溶液をそれぞれ吐出し、あるいは両者の混合液に浸漬して、コンデンサ素子内で重合反応を促進し、ＰＥＤＯＴ等の導電性ポリマーからなる固体電解質層を生成する。その後、このコンデンサ素子を有底筒状の外装ケースに収納して固体電解コンデンサを作製する。
　また、ポリピロール又はポリアニリンを含む導電性ポリマーと、γ－ブチロラクトン又はエチレングリコールを含む電解液とを組み合わせて用いて、電解液による化成皮膜の欠陥部の修復作用により、漏れ電流を低減するとともにＥＳＲを改善することが行われている（特許文献２）。
特開平２－１５６１１号公報 特開平１１－１８６１１０号公報
　ところで、近年、車載用や一般電源回路用として用いられるような２５Ｖや６３Ｖ程度の低圧用途のみならず、８０Ｖ以上の高圧用途に使用すべく、高温でのＥＳＲ特性が良好な固体電解コンデンサが要望されている。
　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、８０Ｖ以上の高圧用途での特性に優れた固体電解コンデンサ及びその製造方法を提供することにある。
　本発明者等は、上記課題を解決すべく、種々検討を重ねた結果、コンデンサ素子に充填する電解液の溶質としてボロジサリチル酸塩を用い、この塩濃度を所定量以下とすることで高圧領域における高温でのＥＳＲ特性が良好になるとの知見を得、この知見に基づき本発明を完成させるに至った。
　すなわち、本発明の固体電解コンデンサは、陽極電極箔と陰極電極箔とをセパレータを介して巻回したコンデンサ素子に、導電性高分子の粒子が溶媒に分散した導電性高分子分散体を用いて固体電解質層を形成するとともに、該固体電解質層が形成されたコンデンサ素子内の空隙部に、溶質として無機酸と有機酸との複合化合物の塩を９ｗｔ％未満含有した電解液を充填させたことを特徴とする。
　また、前記のような固体電解コンデンサを製造するための方法も本発明の１つである。
　本発明によれば、８０Ｖ以上の高圧用途での特性に優れた固体電解コンデンサ及びその製造方法を提供することができる。
　以下、本発明に係る固体電解コンデンサを製造するための代表的な製造手順を開示しつつ、本発明を更に詳しく説明する。
（固体電解コンデンサの製造方法）
　本発明に係る固体電解コンデンサの製造方法の一例は、以下の通りである。すなわち、表面に酸化皮膜層が形成された陽極箔と陰極箔をセパレータを介して巻回して、コンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子に修復化成を施す（第１の工程）。続いて、このコンデンサ素子に、導電性高分子の粒子が溶媒に分散した導電性高分子分散体を含浸させて固体電解質層を形成する（第２の工程）。その後、このコンデンサ素子を所定の電解液に浸漬して、固体電解質層が形成されたコンデンサ素子内の空隙部にこの電解液を充填する（第３の工程）。そして、このコンデンサ素子を外装ケースに挿入し、開口端部に封口ゴムを装着して、加締め加工によって封止した後、エージングを行い、固体電解コンデンサを形成する（第４の工程）。
（電極箔）
　陽極箔としては、アルミニウム等の弁作用金属からなり、その表面をエッチング処理により粗面化して多数のエッチングピットを形成している。更にこの陽極箔の表面には、ホウ酸アンモニウム等の水溶液中で電圧を印加して誘電体となる酸化皮膜層を形成している。陰極箔としては、陽極箔と同様にアルミニウム等からなり、表面にエッチング処理が施されているものを用いる。また、必要に応じて、化成処理を施したものや、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物からなる層を蒸着法により形成したもの、あるいは表面に炭素を含有したものを用いても良い。
（セパレータ）
　セパレータとしては、合成繊維を主体とする不織布からなるセパレータや、ガラス繊維からなるセパレータを用いることができる。合成繊維としては、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、レーヨン繊維等が好適である。また、天然繊維からなるセパレータを用いてもよい。
（第１の工程における修復化成の化成液）
　修復化成の化成液としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等のリン酸系の化成液、ホウ酸アンモニウム等のホウ酸系の化成液、アジピン酸アンモニウム等のアジピン酸系の化成液を用いることができるが、なかでも、リン酸二水素アンモニウムを用いることが望ましい。また、浸漬時間は、５～１２０分が望ましい。
（第２の工程における導電性高分子分散体）
　導電性高分子分散体は、ＰＥＤＯＴの粉末とポリスチレンスルホン酸からなるドーパントの固形分を混合したものが好ましい。また、導電性高分子分散体の溶媒は、導電性高分子の粒子または粉末が溶解するものであれば良く、主として水が用いられる。ただし、必要に応じて分散体の溶媒としてエチレングリコールを単独で又は混合して用いてもよい。分散体の溶媒としてエチレングリコールを用いると、製品の電気的特性のうち、特にＥＳＲを低減できることが判明している。
また、導電性高分子分散体の含浸性、電導度の向上のため、導電性高分子分散体に各種添加剤を添加したり、カチオン添加による中和を行っても良い。特に、添加剤としてソルビトール又はソルビトール及び多価アルコールを用いると、ＥＳＲを低減し、鉛フリーリフロー等による耐電圧特性の劣化を防止することができる。
（導電性高分子分散体への含浸）
　コンデンサ素子を導電性高分子分散体に含浸する時間は、コンデンサ素子の大きさによって決まるが、直径５ｍｍ×長さ３ｍｍ程度のコンデンサ素子では５秒以上、直径９ｍｍ×長さ５ｍｍ程度のコンデンサ素子では１０秒以上が望ましく、最低でも５秒間は含浸することが必要である。なお、長時間含浸しても特性上の弊害はない。また、このように含浸した後、減圧状態で保持すると好適である。その理由は、揮発性溶媒の残留量が少なくなるためであると考えられる。また、導電性高分子分散体の含浸ならびに乾燥は、必要に応じて複数回行ってもよい。
（第３の工程における電解液）
　電解液に使用できる溶媒としては、その沸点が、寿命試験温度である１２０℃以上の溶媒を用いることが好ましい。溶媒の例としては、γ－ブチロラクトン、エチレングリコールなどの多価アルコール、スルホラン、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。多価アルコールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、１，２－プロパンジオール、グリセリン、１，３－プロパンジオール、１，３－ブタンジオール、２－メチル－２，４－ペンタンジオールなどの低分子量の多価アルコールがよい。特に、エチレングリコールなどの低分子量の多価アルコールおよびγ－ブチロラクトンからなる混合溶媒を用いると、初期のＥＳＲ特性が良好となり、さらに高温特性も良好となる。
　即ち、エチレングリコールおよびγ－ブチロラクトンからなる混合溶媒を用いた場合、エチレングリコールを含まない溶媒を用いた場合と比較して、初期のＥＳＲが低下するとともに、長時間の使用において静電容量の変化率（ΔＣａｐ）が小さいことが判明している。その理由は、エチレングリコールは、導電性ポリマーのポリマー鎖の伸張を促進する効果があるため、電導度が向上し、ＥＳＲが低下すると考えられる。また、γ－ブチロラクトンやスルホランよりも、エチレングリコールのようなヒドロキシル基を有するプロトン性溶媒の方がセパレータや電極箔、導電性ポリマーとの親和性が高いため、電解コンデンサ使用時の電解液が蒸散する過程において、セパレータや電極箔、導電性ポリマーと電解液との間で電荷の受け渡しが行われやすく、ΔＣａｐが小さくなると考えられる。また、混合溶媒中におけるエチレングリコールの添加量は、好ましくは５ｗｔ％以上、さらに好ましくは４０ｗｔ％以上、最も好ましくは６０ｗｔ％以上である。
　また、電解液の溶媒としてγ－ブチロラクトンを所定量添加させることで、電解液のコンデンサ素子への含浸性を改善できる。比較的粘性の高いエチレングリコールと粘性が低いγ－ブチロラクトンを用いることで、コンデンサ素子への含浸性を高め、初期特性及び長時間の使用での良好な特性を維持とともに、低温での充放電特性が良好となる。混合溶媒中におけるγ－ブチロラクトンの添加量は、好ましくは、４０ｗｔ％以下である。
　さらに、イオン伝導性物質のエチレングリコールおよびγ－ブチロラクトンからなる混合溶媒に、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から選ばれる少なくとも１種の溶媒を追加的に用いてもよい。これらスルホラン系の溶媒は高沸点であるため、電解液の蒸散を抑制し、高温特性が良好になる。混合溶媒中のこれらスルホラン系の溶媒の添加量は、好ましくは、４０ｗｔ％以下である。
　電解液の溶質としては、有機酸と無機酸との複合化合物の塩を用いる。塩としては、少なくとも１種のアンモニウム塩、四級アンモニウム塩、四級化アミジニウム塩、アミン塩等を挙げることができる。上記有機酸としては、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、サリチル酸、蓚酸、グリコール酸等のカルボン酸、フェノール類が挙げられる。また、無機酸としては、ホウ酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、リン酸エステル、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等が挙げられる。
　また、上記有機酸と無機酸の複合化合物の少なくとも１種の塩として、アンモニウム塩、四級アンモニウム塩、四級化アミジニウム塩、アミン塩等が挙げられる。４級アンモニウム塩の４級アンモニウムイオン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。アミン塩のアミンとしては、１級アミン、２級アミン、３級アミンが挙げられる。１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、２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、３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、エチルジイソプロピルアミン等が挙げられる。
　上記電解液においては、後述する実施例の結果からも明らかなとおり、有機酸と無機酸の複合化合物の塩、特にはボロジサルチル酸塩を用いた溶質の添加量を９ｗｔ％未満、好ましくは７ｗｔ％以下、最も好ましくは５ｗｔ％未満とする。この理由については、種々の塩を評価した結果、複合化合物の塩は、電解液としての化成性の向上に加え、導電性高分子との相性が良く、高温耐久試験における導電性高分子層を劣化させにくいものと考えられ、これは溶質濃度が低いほど導電性高分子層の劣化が抑制されるものと考えられる。
　さらに、電解液の添加剤として、ポリオキシエチレングリコール、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、ニトロ化合物（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－ニトロフェノールなど）、リン酸エステルなどが挙げられる。
（電解液の充填条件）
　上記のような電解液をコンデンサ素子に充填する場合、その充填量は、コンデンサ素子内の空隙部に充填できれば任意であるが、コンデンサ素子内の空隙部の３～１００％が好ましい。
（作用・効果）
　上記のように、コンデンサ素子内に導電性ポリマーを形成した後、このコンデンサ素子を所定の電解液に含浸させて、コンデンサ素子内の空隙部にこの電解液を充填することにより、高温でのＥＳＲ特性が良好になる。
　この理由については、上記のとおり作製したコンデンサ素子内には従来のような重合反応残余物がそもそも存在せず、導電性ポリマーの耐電圧より低い反応残余物による耐電圧の低下を抑制できる結果、耐電圧を向上させることができる。そしてこのような高圧の用途において、上述したように、所定の有機酸と無機酸の複合化合物を所定量用いることにより、電解液としての化成性の向上に加え、導電性高分子との相性が向上し、高温耐久試験における導電性高分子層の劣化が抑制され、高温下でのＥＳＲ特性が良好となるものと考えられる。
　続いて、以下のようにして製造した実施例及び比較例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
　まず、表１に示すように、表１に示すように、エチレングリコールとボロジサリチル酸アンモニウムとの配合比を変化させた電解液を作製し（実施例１～４、比較例１）、また、参考例１として、エチレングリコールとフタル酸トリエチルアミンとを９９：１の割合で配合した電解液を作製した。そして、これらの電解液の耐電圧を評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１～４、比較例１および参考例１で作製した電解液を測定用のコンデンサ素子に含浸し耐電圧を測定した結果を表１に併せて示す。測定方法は、酸化皮膜を有する陽極箔と陰極箔をセパレータを介して巻回したコンデンサ素子に導電性高分子層を形成せずに、実施例１～４、比較例１および参考例１で作製した電解液を含浸し、１０ｍＡの電流密度で室温下でブレークダウン電圧を測定した。
　表１の結果より、ボロジサリチル酸アンモニウムの量が９ｗｔ％では耐電圧が１７１Ｖであったが（比較例１）、７ｗｔ％で２２０Ｖ（実施例４）、５ｗｔ％で２５１Ｖ（実施例３）、３ｗｔ％で２７２Ｖ（実施例２）、１ｗｔ％で２８１Ｖ（実施例１）となり、溶質のボロジサリチル酸アンモニウムの量が減少するに従って耐電圧が向上した。また、実施例１と参考例１とを比較すると、溶質の量は同じであるにもかかわらず、耐電圧は３倍近くに向上している。
　このため、ボロジサリチル酸アンモニウムの量を９ｗｔ％未満、特に７ｗｔ％以下とすることにより、耐電圧が飛躍的に向上することが判明した。
　次に、表２に示すように、電解液としてエチレングリコールとボロジサリチル酸トリメチルアミンの配合比を変えたもの（実施例５～実施例８、比較例２）について、上記と同様の方法で耐電圧を測定した。結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２の結果より、ボロジサリチル酸トリメチルアミンの量が９ｗｔ％では耐電圧が１７０Ｖであったが（比較例２）、７ｗｔ％で２２０Ｖ（実施例８）、５ｗｔ％で２５０Ｖ（実施例７）、３ｗｔ％で２７０Ｖ（実施例６）、１ｗｔ％で２８０Ｖ（実施例５）となり、溶質のボロジサリチル酸トリメチルアミンの量が減少するに従って耐電圧が向上した。また、実施例５と参考例１とを比較すると、溶質の量は同じであるにもかかわらず、耐電圧は３倍近くに向上している。
　このため、ボロジサリチル酸トリエチルアミンの量を９ｗｔ％未満、特に７ｗｔ％以下とすることにより、耐電圧が飛躍的に向上することが判明した。
　次に、導電性高分子層と電解液を備えた固体電解コンデンサについて、電解液の溶媒や溶質の種類を変えて評価を行った。実施例９～実施例１８、および参考例２の固体電解コンデンサについては、次の様に作製した。
　まず、表面に酸化皮膜層が形成された陽極箔と陰極箔に電極引き出し手段を接続し、両電極箔をセパレータを介して巻回して、素子形状が直径１０ｍｍ×長さ１２．５ｍｍのコンデンサ素子を形成した。そして、このコンデンサ素子をリン酸二水素アンモニウム水溶液に４０分間浸漬して、修復化成を行った。その後、ＰＥＤＯＴの微粒子とポリスチレンスルホン酸をエチレングリコールを５ｗｔ％含む水溶液に分散した導電性高分子分散体に浸漬し、コンデンサ素子を引き上げて約１５０℃で乾燥した。さらに、このコンデンサ素子の導電性高分子分散体への浸漬－乾燥を複数回繰り返して、コンデンサ素子に導電性高分子からなる導電性高分子層を形成した。その後、このコンデンサ素子に、表３に示すように、電解液の種類と溶媒の配合比を変化させた電解液を充填した（実施例９～１８、および参考例２）。なお、表３に示す電解液の配合比は重量部で示している。そして、これらのコンデンサ素子を有底筒状の外装ケースに挿入し、開口端部に封口ゴムを装着して、加締め加工によって封止した。その後に、電圧印加によってエージングを行い、固体電解コンデンサを形成した。なお、この固体電解コンデンサの定格電圧は１００ＷＶ、定格容量は３３μＦである。
　これらの固体電解コンデンサにて、初期のＥＳＲ特性および１２５℃、１５００時間無負荷放置試験を行ったときのＥＳＲ特性、ΔＣａｐの結果を表３に示す。なお、本明細書において、ＥＳＲ特性はすべて１００ｋＨｚ（２０℃）における値を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３の結果より、実施例９は、他の実施例に比べて電解液の溶媒としてエチレングリコールの含有量を１００％とすることにより、初期ＥＳＲ、高温試験後における特性劣化が最小となることが分かった。一方、参考例２に示す通り、電解液の溶媒としてエチレングリコールの含有量を１００％とした場合であっても、電解液の溶質としてフタル酸トリエチルアミンを用いると、初期のＥＳＲがわずかに上昇した。さらに、実施例９よりも、試験後における特性劣化が大きく、特にＥＳＲは３倍近く大きいことが分かった。
　また、実施例１０と実施例１６を比較すると、ボロジサリチル酸アンモニウムを用いた実施例１０の方がボロジサリチル酸トリメチルアミンを用いた実施例１６よりも、初期のＥＳＲが低く、さらに高温試験後においても特性劣化が小さいことが分かった。
　また、実施例１６と実施例１７を比較すると、ボロジサリチル酸トリメチルアミンを用いた実施例１６の方がボロジサリチル酸トリエチルアミンを用いた実施例１７よりも、初期のＥＳＲが低く、さらに高温試験後においても特性劣化が小さいことが分かった。なお、別途行った耐電圧試験の結果では、実施例１６と実施例１７とで特性は同等であった。
　さらに、実施例１０と実施例１８を比較すると、溶媒としてエチレングリコールだけでなくポリオキシエチレングリコールを加えた実施例１８の方が、溶媒としてポリオキシエチレングリコールを用いていない実施例１０よりも、高温試験後のΔＣａｐが改善した。これにより、ポリオキシエチレングリコールは、高温試験後のΔＣａｐの改善に効果があるものと考えられる。
　次に、導電性高分子層と電解液を備えた固体電解コンデンサについて、電解液の溶媒や溶質の種類を変えて評価を行った。実施例１９～実施例２１、および比較例３の固体電解コンデンサについては、次の様に作製した。
　まず、表面に酸化皮膜層が形成された陽極箔と陰極箔に電極引き出し手段を接続し、両電極箔をセパレータを介して巻回して、素子形状が直径１０ｍｍ×長さ１２．５ｍｍのコンデンサ素子を形成した。そして、このコンデンサ素子をリン酸二水素アンモニウム水溶液に４０分間浸漬して、修復化成を行った。その後、ＰＥＤＯＴの微粒子とポリスチレンスルホン酸をエチレングリコールを５ｗｔ％含む水溶液に分散した導電性高分子分散体に浸漬し、コンデンサ素子を引き上げて約１５０℃で乾燥した。さらに、このコンデンサ素子の導電性高分子分散体への浸漬－乾燥を複数回繰り返して、コンデンサ素子に導電性高分子からなる導電性高分子層を形成した。その後、このコンデンサ素子に、表４に示すように、エチレングリコールとボロジサリチル酸アンモニウムの配合比を変化させた電解液を充填した（実施例１９～２１、および比較例３）。各電解液に、添加剤としてリン酸エステルおよびニトロ化合物を添加した。添加剤の添加量は、リン酸エステルとニトロ化合物の電解液中の合計量が２．５ｗｔ％となるように調製した。そして、これらのコンデンサ素子を有底筒状の外装ケースに挿入し、開口端部に封口ゴムを装着して、加締め加工によって封止した。その後に、電圧印加によってエージングを行い、固体電解コンデンサを形成した。なお、この固体電解コンデンサの定格電圧は１００ＷＶ、定格容量は３３μＦである。
　これらの固体電解コンデンサにて、初期のＥＳＲ特性および１５０℃、１０００時間無負荷放置試験を行ったときのＥＳＲ特性の結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４の結果より、ボロジサリチル酸アンモニウムの量が９ｗｔ％では、試験後のＥＳＲが５１３ｍΩであったが（比較例３）、７ｗｔ％で２９３ｍΩ（実施例２１）、５ｗｔ％で８４ｍΩ（実施例２０）、１ｗｔ％で３５ｍΩ（実施例１９）であった。すなわち、溶質のボロジサリチル酸アンモニウムの量が減少するに従って試験後のＥＳＲが低減しており、放置試験後における特性劣化が小さいことが分かった。以上より、ボロジサリチル酸アンモニウムの量を９ｗｔ％未満、特に７ｗｔ％以下とすることにより、ＥＳＲが大幅に低減することが判明した。参考として、同仕様の素子を用いた場合であっても、電解質として電解液のみを使用した電解コンデンサの初期ＥＳＲは、４７０ｍΩ程度である。本発明のハイブリッドコンデンサでは、初期ＥＳＲはもちろん、放置試験後においてもＥＳＲが４７０ｍΩ以下であり、電気特性が優れていることが分かった。

Claims (6)

  1. 　陽極電極箔と陰極電極箔とをセパレータを介して巻回したコンデンサ素子に、導電性高分子の粒子が溶媒に分散した導電性高分子分散体を用いて固体電解質層を形成するとともに、該固体電解質層が形成されたコンデンサ素子内の空隙部に、溶質として無機酸と有機酸との複合化合物の塩を９ｗｔ％未満含有した電解液を充填させたことを特徴とする固体電解コンデンサ。
  2. 　前記電解液の溶媒としてエチレングリコール及び／又はポリオキシエチレングリコールを用いることを特徴とする請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
  3. 　前記複合化合物の塩は、アンモニウム塩であることを特徴とする請求項１または２記載の固体電解コンデンサ。
  4. 　前記無機酸と有機酸との複合化合物は、ボロジサリチル酸、ボロジグリコール酸又はボロジシュウ酸であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  5. 　８０Ｖ以上の高圧用途に用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  6. 　陽極電極箔と陰極電極箔とをセパレータを介して巻回したコンデンサ素子に、導電性高分子の粒子が溶媒に分散した導電性高分子分散体を含浸させて固体電解質層を形成する工程と、該固体電解質層が形成されたコンデンサ素子内の空隙部に、溶質として無機酸と有機酸との複合化合物の塩を９ｗｔ％未満含有した電解液を含浸させる工程と、を有することを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。
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