(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
アルミニウム電解コンデンサは、自動車電装部品や、電子機器等、多くの分野に使用されている。アルミニウム電解コンデンサの中でも、陰極材料に導電性高分子を用いたアルミニウム固体電解コンデンサ(以下、固体電解コンデンサ)や、導電性高分子と電解液とを共に用いた導電性高分子ハイブリッドアルミニウム電解コンデンサ(以下、ハイブリッド電解コンデンサ)は、陰極材料に電解液のみを用いる通常のアルミニウム電解コンデンサと比べ、等価直列抵抗(以下、ESR)が小さいため、これらの利用範囲が拡大している。
【0003】
一般的に、固体電解コンデンサは、陽極アルミニウム箔と陰極アルミニウム箔との間にセパレータを介在させて巻回し、導電性高分子の重合液を含浸、重合して得た導電性高分子を含有した素子を、ケースに挿入した後に封口することで作製される。または、陽極アルミニウム箔と陰極アルミニウム箔との間にセパレータを介在させて巻回し、導電性高分子の分散体を含浸、乾燥して得た導電性高分子を含有した素子を、ケースに挿入した後に封口することで作製される。
ハイブリッド電解コンデンサは、導電性高分子を含有した素子に、更に電解液を含浸させ、ケースに挿入した後に封口することで作製される。
【0004】
電解液のみを用いた通常のアルミニウム電解コンデンサの伝導機構はイオン伝導だが、導電性高分子を含有した固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサの伝導機構は電子伝導である。このため、固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサは、通常のアルミニウム電解コンデンサと比べ応答性が高く、ESRが低い。
【0005】
固体電解コンデンサ及びハイブリッド電解コンデンサに用いられるセパレータには、両極間を隔離し、ショート不良を防止することと、導電性高分子を保持することが求められる。
これまでに、固体電解コンデンサ及びハイブリッド電解コンデンサ用セパレータとして、例えば、特許文献1乃至3に記載された技術が開示されている。
特許文献1に記載のセパレータは、半芳香族ポリアミド樹脂からなる繊維を含有した、導電性高分子との馴染みが良好なセパレータであり、このセパレータを用いることで、電解質の保持性が向上し、固体電解コンデンサのESR特性を改良できる。
【0006】
特許文献2のセパレータは、非フィブリル化有機繊維、フィブリル化高分子を含有した吸水速度が速いセパレータであり、このセパレータを用いることで、固体電解コンデンサのESRを低減する技術が開示されている。
【0007】
特許文献3のセパレータは、セパレータの圧縮含浸率を向上させたセパレータである。このセパレータを用いることで、固体電解コンデンサのESRを低減し、静電容量を向上させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサを含むコンデンサは、常に、ESRの低減と静電容量の向上が求められている。しかしながら、特許文献1乃至特許文献3のセパレータを用いても、固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサの一定以上のESR低減は困難であった。これは主に以下の理由が考えられる。
【0013】
特許文献2や特許文献3のような、従来の吸水速度の速いセパレータは、導電性高分子の重合液や分散体の溶媒又は分散媒の吸液は良好だが、導電性高分子自体の含浸性は必ずしも良好ではなかった。これは、電極箔とセパレータとを巻回して導電性高分子の重合液や分散体を含浸させようとしたとき、ペーパークロマトグラフィのように、導電性高分子の重合液の溶媒や分散体の分散媒が含浸されても、溶質や分散質が含浸されない場合があるためである。
【0014】
更に、このように溶媒(分散媒)と溶質(分散質)の分離が起きた場合、コンデンサ素子内部で導電性高分子が偏り、導電性高分子の均一性が低下する。
また、特許文献1のような導電性高分子となじみの良いセパレータの場合、溶媒(分散媒)と溶質(分散質)の分離は起き難いが、高粘度の液体である導電性高分子の重合液や分散体の含浸自体が困難であり、コンデンサ素子内部の導電性高分子の偏りが起こる場合があるためである。
【0015】
本発明者らが種々の検討をした結果、固体電解コンデンサでは、導電性高分子重合液の重合前や導電性高分子分散体の乾燥前、コンデンサ素子内部で液の保持量の偏りができ、重合や乾燥後の導電性高分子も不均一になるため、ESRの低減ができないことが判明した。
【0016】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサの導電性高分子の均一性を高め、コンデンサのより一層のESR低減を達成したアルミニウム電解コンデンサ用セパレータ及びアルミニウム電解コンデンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記した目的を達成するために本発明のアルミニウム電解コンデンサ用セパレータは、例えば以下の構成を備える。
即ち、一対の電極の間に介在するアルミニウム電解コンデンサ用セパレータであって、前記一対の電極
である陽極箔と陰極箔間に
幅18mmの前記セパレータを介在させて巻回して得た
直径6mm高さ18mmの素子の底面を電解液
である1−エチル−2,3−ジメチル−4,5−ジヒドロイミダソリウム=水素=フタラートの25質量%γ−ブチロラクトン溶液に
3mm浸した
ときに、LCRメーターを用いて、120Hz、20℃で測定した静電容量が、定格静電容量の90%以上になるまでの時間を測定した含浸速度が50秒以下であることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用セパレータとする。
【0018】
又は、一対の電極と、前記一対の電極の間にセパレータを介在させてなるアルミニウム電解コンデンサであって、上記のセパレータを用いることを特徴とする。
前記一対の電極における陰極材料として導電性高分子を用いることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサとする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、ESRを低減させたアルミニウム電解コンデンサ用セパレータ及びアルミニウム電解コンデンサを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の一実施の形態例について、詳細に説明する。
本実施の形態例のセパレータは、含浸速度が50秒以下のセパレータである。本実施の形態における含浸速度とは、陽極箔と陰極箔とにセパレータを介在させて巻回して得た直径6mm高さ18mmの素子の底面を、電解液に浸し、LCRメーターを使用し、120Hz、20℃で測定した静電容量が、定格静電容量の90%以上になるまでの時間を指す。
【0021】
本実施の形態では、幅15mm厚さ100μmの陽極箔と、幅15mm厚さ50μmの陰極箔とに幅18mmのセパレータを介在させて巻回して得た素子に、フタル酸イミダゾリウム塩の25質量%γ−ブチロラクトン溶液を用いて静電容量が、定格静電容量の90%以上になるまでの時間を測定した。
【0022】
なお、巻回して得た素子のサイズが、直径6mm高さ18mmであれば、陽極箔や陰極箔の幅や厚さには特に限定はない。また、電解液に用いる電解質も、フタル酸イミダゾリウム塩に限定されるものではなく、エチル基やメチル基で修飾されたイミダゾリウム塩や、二重結合が開裂したイミダゾリウム塩、その他の二価カルボン酸塩を用いてもよい。
【0023】
本実施の形態の含浸速度は、セパレータ単独の含浸性ではなく、素子を形成した後の含浸性を直接測定したものであり、実際のコンデンサの製造工程での含浸性を直接測定することができる。
【0024】
含浸速度が50秒以下のセパレータとすることで、導電性高分子の含浸性と保持性を高め、コンデンサのESRを低減できる。
含浸速度が50秒を超過した場合、含浸性が悪く、コンデンサ素子内部で導電性高分子の保持量の偏りが起き、ESRの低減ができない場合がある。また、ハイブリッド電解コンデンサに使用した場合、電解液の保持性が低いため、ハイブリッド電解コンデンサの使用時に、電解液が重力方向に落下し、静電容量が減少する場合がある。
含浸速度は、速いほどよいが、セパレータの取扱性等を考慮すると、5秒未満とすることは困難であり、5秒程度が下限となる。
【0025】
本実施の形態例のセパレータは、上記の含浸速度を満足し、固体電解コンデンサやハイブリッド電解コンデンサ用セパレータとして十分な強度や耐薬品性を有していれば、セパレータに用いる繊維に特に限定はない。
本実施の形態例のセパレータに用いる繊維として、例えばセルロース繊維と合成繊維とを挙げることができる。
【0026】
セルロース繊維には、天然セルロース繊維や、再生セルロース繊維があり、特に限定なく使用できる。また、天然セルロース繊維を精製処理したものや、マーセル化したものでもよい。天然セルロース繊維としては、マニラ麻やサイザル麻、ジュート、ケナフ、コットンリンター、エスパルト、針葉樹、広葉樹等があるが、これらに限定されるものではない。セルロース繊維は、上記の5〜50秒という含浸速度を満足できれば、叩解されていてもよい。
【0027】
合成繊維には、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、アラミド繊維等があり、これらを特に限定なく使用できる。また、フィブリル化した繊維であっても、フィブリル化していない繊維であってもよく、これらの繊維を組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、導電性高分子の重合液や分散体との親和性の観点からナイロン繊維が好ましい。
【0028】
セルロース繊維は、導電性高分子の重合液や分散体の溶媒との親和性が良好であり、含浸速度を速く、導電性高分子の重合液や分散体の保持性を高くしやすい。合成繊維は、嵩高なシートを形成しやすく、含浸速度を速くできる。また、合成繊維は、セルロースと比べ耐薬品性も良好であるため、導電性高分子の重合を阻害することがなく、導電性高分子の重合液や分散体による劣化も少ない。
【0029】
例えば、平均繊維長0.5〜2.0mmのセルロース繊維と、フィブリル化していない合成繊維とを用いることで、セパレータの含浸速度を満足できる。
しかしながら、上記した本実施の形態例の含浸速度範囲を満足できれば、上記平均繊維長のセルロース繊維や、フィブリル化していない合成繊維に限定されるものではない。例えば、平均繊維長0.4mmのセルロース繊維や、フィブリル化合成繊維であっても、セパレータ中のこれら繊維の含有量を少なくする等により使用してもよい。
【0030】
本実施の形態例のセパレータの厚さ及び密度には特に限定はない。強度等、使用時の取り扱性等も考慮して、厚さが20〜100μm、密度が0.20〜0.60g/cm
3程度が一般的である。
【0031】
本発明の実施の形態例において、セパレータは抄紙法を用いて形成した湿式不織布を採用した。セパレータの抄紙形式は、含浸速度を満足することができれば特に限定はなく、長網抄紙や短網抄紙、円網抄紙といった抄紙形式が使用でき、またこれらの抄紙法によって形成された層を複数合わせたものであってもよい。
【0032】
また、抄紙に際しては、コンデンサ用セパレータに影響を与えない程度の不純物含有量であれば、分散剤や消泡剤、紙力増強剤などの添加剤を加えてもよい。
更に、紙層形成後に紙力増強加工、親液加工、カレンダ加工、エンボス加工等の加工を施してもよい。
【0033】
そして、本実施の形態のアルミニウム電解コンデンサは、セパレータとして上記構成のセパレータを用いて、一対の電極の間にセパレータを介在させ、陰極材料として導電性高分子を使用した。
【0034】
〔セパレータおよびアルミニウム電解コンデンサの特性の測定方法〕
本実施の形態のセパレータおよびアルミニウム電解コンデンサの各特性の具体的な測定は、以下の条件および方法で行った。
〔厚さ〕
「JIS C 2300−2 『電気用セルロース紙-第2部:試験方法』 5.1 厚さ」に規定された、「5.1.1 測定器および測定方法 a外側マイクロメータを用いる場合」のマイクロメータを用いて、「5.1.3 紙を折り重ねて厚さを測る場合」の10枚に折り重ねる方法で、セパレータの厚さを測定した。
【0035】
〔密度〕
「JIS C 2300−2 『電気用セルロース紙-第2部:試験方法』 7.0A 密度」のB法に規定された方法で、絶乾状態のセパレータの密度を測定した。
〔含浸速度〕
幅15mm厚さ100μmの陽極箔と幅15mm厚さ50μmの陰極箔とに幅18mmのセパレータを介在させて巻回して得た直径6mm高さ18mmの素子の底面を、1−エチル−2,3−ジメチル−4,5−ジヒドロイミダソリウム=水素=フタラートの25質量%γ−ブチロラクトン溶液に3mm浸し、LCRメーターを用いて、120Hz、20℃で測定した静電容量が、定格静電容量の90%以上になるまでの時間を測定した。
【0036】
〔平均繊維長〕
平均繊維長は、JIS P 8226−2『パルプ−光学的自動分析法による繊維長測定方法 第2部:非偏光法』(ISO16065−2『Pulps−Determination of Fibre length by automated optical analysis−Part2:Unpolarized light method』)に準じて、Kajaani Fiberlab Ver.4(Metso Automation社製)を用いて測定したContour length(中心線繊維長)の長さ荷重平均繊維長の値である。
【0037】
〔ESR〕
作製したコンデンサのESRは、温度20℃、周波数100kHzの条件にてLCRメーターを用いて測定した。
〔静電容量〕
作製したコンデンサの静電容量は、温度20℃、周波数120Hzの条件にてLCRメーターを用いて測定した。
【0038】
〔容量維持率〕
容量維持率は、ハイブリッド電解コンデンサについてのみ測定した。
ハイブリッド電解コンデンサを、遠心分離機を用いて遠心加速度1000Gで5分間遠心分離した後の静電容量を、遠心分離前の静電容量で除し、百分率でもとめた。
【0039】
〔固体電解コンデンサ、ハイブリッド電解コンデンサの製作〕
陽極箔と陰極箔とにセパレータを介在させて巻回し、再化成処理後、コンデンサ素子に導電性高分子分散体を含浸後乾燥させ、ケースに挿入、封口して、定格電圧50V、直径8.0mm、高さ10.0mmの固体電解コンデンサを作製した。
【0040】
ハイブリッド電解コンデンサは、ケース挿入前に電解液を含浸した以外は、固体電解コンデンサと同様の方法で、定格電圧80V、直径8.0mm×高さ10.0mmのハイブリッド電解コンデンサを作製した。
以下、本発明にかかる一発明の実施の形態における固体電解コンデンサ及びハイブリッド電解コンデンサの具体的な各種実施例、比較例、従来例について、詳細に説明する。
【0041】
〔実施例1〕
コットンリンターパルプ15質量%と、ジュートパルプ25質量%、ナイロン繊維35質量%を混合し円網抄紙し、実施例1のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は1.2mm、厚さは60μm、密度は0.55g/cm
3、含浸速度は49秒であった。
【0042】
〔実施例2〕
マーセル化竹パルプ30質量%と、サイザル麻パルプ15質量%、ナイロン繊維55質量%を混合して円網抄紙し、実施例2のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は1.3mm、厚さは20μm、密度は0.40g/cm
3、含浸速度は38秒であった。
【0043】
〔実施例3〕
コットンパルプ30質量%と、叩解溶剤紡糸レーヨン繊維30質量%、繊維長4mmの未叩解レーヨン繊維40質量%を混合して円網抄紙し、実施例3のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は2.4mm、厚さは90μm、密度は0.35g/cm
3、含浸速度は12秒であった。
【0044】
〔実施例4〕
コットンパルプ10質量%と、ケナフパルプ10質量%、アクリル繊維80質量%を混合して円網抄紙し、実施例4のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は1.1mm、厚さは40μm、密度は0.22g/cm
3、含浸速度は5秒であった。
【0045】
〔参考例〕
コットンパルプ20質量%と、ポリエステル繊維40質量%、アクリル繊維40質量%を混合して円網抄紙し、参考例のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は1.4mm、厚さは40μm、密度は0.17g/cm
3、含浸速度は2秒であった。
【0046】
〔比較例〕
マニラ麻パルプ60質量%と、サイザル麻パルプ40質量%を混合して円網抄紙し、比較例のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は2.3mm、厚さは30μm、密度は0.65g/cm
3、含浸速度は55秒であった。
【0047】
〔従来例1〕
特許文献2の実施例3を参考に、コットンパルプ5質量%と、フィブリル化アラミド繊維30質量%、ポリエステル繊維65質量%を混合して円網抄紙し、従来例1のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は0.4mm、厚さは45μm、密度は0.38g/cm
3、含浸速度は61秒であった。
【0048】
〔従来例2〕
特許文献3の実施例7を参考に、コットンパルプ30質量%と、マニラ麻パルプ30質量%、フィブリル化アクリル繊維40質量%を混合して円網抄紙し、従来例2のセパレータを得た。
このセパレータのセルロース繊維の平均繊維長は2.1mm、厚さは35μm、密度は0.28g/cm
3、含浸速度は54秒であった。
【0049】
上記の各実施例、参考例、比較例、各従来例のセパレータを用いて作製したアルミニウム電解コンデンサとして、固体電解コンデンサとハイブリッド電解コンデンサとを作製した。
【0050】
以下、各実施例、参考例、比較例、各従来例のセパレータを用いた固体電解コンデンサとハイブリッド電解コンデンサについて説明する。
〔実施例1〕
実施例1のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量48μF、ESR26mΩであった。実施例1のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量40μF、容積維持率91%、ESR32mΩであった。
【0051】
〔実施例2〕
実施例2のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量47μF、ESR26mΩであった。実施例2のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量40μF、容積維持率93%、ESR33mΩであった。
【0052】
〔実施例3〕
実施例3のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量45μF、ESR28mΩであった。実施例3のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量37μF、容積維持率95%、ESR35mΩであった。
【0053】
〔実施例4〕
実施例4のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量44μF、ESR29mΩであった。実施例4のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量36μF、容積維持率96%、ESR36mΩであった。
【0054】
〔参考例〕
参考例のセパレータを用いてコンデンサ素子を作製しようとしたが、強度が弱く、素子作製時にセパレータの破断が多発したため、固体電解コンデンサ及びハイブレッド電解コンデンサ共にコンデンサ素子を作製できなかった。
【0055】
〔比較例〕
比較例のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量38μF、ESR40mΩであった。比較例のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量28μF、容積維持率80%、ESR45mΩであった。
【0056】
〔従来例1〕
従来例1のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量40μF、ESR37mΩであった。従来例1のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量29μF、容積維持率82%、ESR40mΩであった。
【0057】
〔従来例2〕
従来例2のセパレータを用いた固体電解コンデンサは、静電容量55μF、ESR33mΩであった。従来例2のセパレータを用いたハイブリッド電解コンデンサは、静電容量32μF、容積維持率86%、ESR32mΩであった。
【0059】
各実施例のセパレータを用いた固体電解コンデンサとハイブリッド電解コンデンサは、従来例の固体電解コンデンサとハイブリッド電解コンデンサと比べ、静電容量が10%以上向上し、また、ESRも10%以上低減している。また、各実施例のハイブリッド電解コンデンサの容量維持率も90%以上と良好である。
各実施例、参考例、比較例、各従来例の比較から、セパレータの含浸速度を50秒以内とすることで、固体電解コンデンサ、及びハイブリッド電解コンデンサの静電容量とESRを改善し、ハイブリッド電解コンデンサの容量維持率も向上できる。
【0060】
以上説明したように本発明に係る実施の形態によれば、導電性高分子の含浸速度が速く、保持性も高く、保持性の経時的な低下もないため、導電性高分子重合液の重合前や導電性高分子分散体の乾燥前、コンデンサ素子内部で液の保持量の偏りを抑制し、コンデンサのESRを低減できる。
【0061】
また、このセパレータをハイブリッド電解コンデンサに用いた場合、電解液の保持性も良好であり、保持性の経時的な低下もないので、ハイブリッド電解コンデンサ使用時に電解液が重力方向に落下することで起こる、静電容量の減少も抑制できる。