JP4576192B2 - アルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法に関するものであり、特に均一で溶解しにくい化成皮膜を形成するアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法に関するものである。

一般に、駆動用電解液中の含水量が増加すると、アルミニウム電極箔の表面に形成された化成皮膜は、水和反応を起こして劣化しやすくなるだけでなく、溶質として添加されている各種有機カルボン酸の錯体形成反応が進みやすくなり、溶解反応による電極箔の劣化が促進される。

特に、アルミニウム電解コンデンサの駆動用電解液の含水量が３０％を超える場合、使用する電極箔の耐水性向上と共に、化成皮膜の耐溶解性向上が求められ、より均一で溶解しにくい化成皮膜の形成が要求されるようになってきている。

従来、化成皮膜を安定化させるには、化成処理中に発生し、化成皮膜の均一性を阻害する皮膜欠陥部を除去する方法（例えば、熱処理、酸浸漬等。非特許文献１参照）や、アジピン酸アンモニウムで化成した後、リン酸アンモニウムで仕上化成を行い、化成皮膜の耐水性を向上させる方法（例えば、特許文献１参照）等が知られている。

また、化成前処理として、熱酸化皮膜や、水和酸化皮膜を予め形成しておくと、化成箔の容量や特性が向上することが知られており（例えば、非特許文献１、２参照）、化成箔の容量の向上、化成効率の改善（省電力）、漏れ電流の低減を目的として、抑制剤を溶解した沸騰水中に浸漬したり（例えば、特許文献２参照）、温水に浸漬して水和酸化皮膜を形成する方法や、大気中または、酸素分圧をコントロールした環境下で、加熱処理する方法（例えば、特許文献３〜５参照）、水蒸気雰囲気中で加熱処理する方法（例えば、特許文献６参照）が開示されている。
特開昭５２−９２３６０号公報 特公昭５７−６２５０号公報 特開昭５３−２６９６０号公報 特許第３４４６１１５号公報 特開平１１−３４０１０２号公報 特許第３４０７４７０号公報 永田伊佐也著、「電解液陰極アルミニウム電解コンデンサ（アルミニウム乾式電解コンデンサ増補改訂版）」、日本蓄電器工業株式会社、平成９年２月２４日、第２版第１刷、Ｐ．１９２〜２０４、Ｐ．２６１〜３１４ 永山政一，「第９回ＡＲＳコンファレンステキスト」,社団法人表面技術協会，平成４年，Ｐ．４１

しかしながら、上記の化成前処理のいずれを用いても、駆動用電解液中の含水量が３０％を超えるアルミニウム電解コンデンサや、含水量が３０％以下であっても高信頼性を求められるアルミニウム電解コンデンサに対しては、化成皮膜の安定化が不十分であり、より均一で溶解しにくい化成皮膜を得ることができる電極箔の製造方法が求められていた。

本発明は上記課題を解決するもので、アルミニウム原箔をエッチングした後、化成処理するアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法において、
化成処理前に、エッチング箔をアルカリ性溶液中に浸漬して、水洗し、２５０〜４００℃で１０秒〜５分間、第１の加熱処理を行い、次に、１００〜２５０℃で１０分〜５時間、第２の加熱処理を行い、その後、３５０〜５００℃で１０分〜５時間、第３の加熱処理を行った後、化成処理を行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法である。

また、上記のアルカリ性溶液が、水酸化物イオン、アルミン酸イオン、または炭酸イオンを含む溶液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電極箔の製造方法である。

さらに、上記アルカリ性溶液のｐＨが１０〜１２、温度が４０〜６０℃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電極箔の製造方法である。

そして、第３の加熱処理を、露点３０℃以下の雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法である。

また、第３の加熱処理を、窒素雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法である。

さらに、第３の加熱処理を、二酸化炭素雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法である。

エッチング箔に上記の化成前処理を施すことにより、均一で、耐溶解性に優れた化成皮膜を得ることができ、含水量３０％を超える駆動用電解液に対しても適用可能な電極箔を製造することができる。

アルミニウム電解コンデンサ用のアルミニウム原箔をエッチングした後、化成処理前に、アルカリ性溶液中に浸漬する。
アルカリ性溶液中への浸漬は、エッチング箔の表面に残存する、薬品の混入した酸化皮膜を除去すると共に、エッチング箔表面に清浄な水酸化皮膜を形成する効果を有する。
使用するアルカリ性溶液としては、不純物元素を含有しない水酸化皮膜を得るため、ケイ酸イオンやリン酸イオン等、アルミニウムの結合しやすい陰イオンを含む溶液ではなく、水酸化物イオンや、アルミン酸イオン、または炭酸イオンのアルカリ性溶液の使用が望ましい。
アルカリ性溶液によるアルミニウム箔の溶解を最小限に抑えるため、アルカリ性溶液のｐＨを１０〜１２、温度を４０〜６０℃に設定することが望ましい。
上記のアルカリ性溶液中への浸漬後、エッチング箔を水洗する。

次に、第１の加熱処理を２５０〜４００℃で１０秒〜５分間行い、付着した水分を除去する。
この水分除去により、アルカリ性溶液に浸漬して、活性な状態にあるエッチング箔表面での新たな水和酸化皮膜の生成が抑えられる。
ここで、加熱処理条件を、２５０℃未満、１０秒未満とすると、水分が完全に除去されず、好ましくない。
一方、４００℃を超えると、エッチング箔表面の水酸化皮膜が変質し、また、新たな気中酸化皮膜が不均一で孤立した形態で形成されるため（図１参照）、その後の化成において、皮膜欠陥の発生の原因となり、不適である。
また、第１の加熱処理では、水分を多量に蒸発させるため、炉内の水蒸気分圧が高くなる。加熱処理時間が５分を超えると、エッチング箔表面に新たな水和酸化皮膜が生成し、特に、水蒸気により新たに形成される水和酸化皮膜は、エッチング箔のエッチングピット内で、不均一に形成されるため（図２参照）、その後の化成において、化成皮膜が均一でなくなることから、不適である。

その後、第２の加熱処理を温度１００〜２５０℃で１０分〜５時間行い、短時間の加熱（乾燥）では取り除くことができない、エッチング箔表面に吸着した水分を除去した。
この水分除去により、エッチング箔表面での新たな水和酸化皮膜の生成を抑えながら、微細なエッチングピットに吸着した未反応の水分が除去される。加熱温度は、水の沸点である１００℃以上で、水和酸化皮膜の変質が起こらない２５０℃以下であることが望ましく、加熱時間は、吸着した水分を除去することができる、１０分間以上であることが必要であるが、５時間を超えると水和酸化皮膜の溶解が起こるので、好ましくない。

次に、第３の加熱処理を温度３５０〜５００℃で１０分〜５時間行い、エッチング箔表面に均一に生成された水酸化皮膜を脱水し、均一な酸化皮膜に転移させる。
その加熱温度は、水酸化皮膜が酸化皮膜に転移する３５０℃以上で、新たに気中酸化皮膜の生成が起こらない５００℃以下が望ましく、その時間は、酸化皮膜に転移するに必要な１０分間以上であることが必要であるが、５時間を超えると酸化皮膜の溶解が起こり、漏れ電流大となるので、好ましくない。
そして、第３の加熱処理は、新たな水和皮膜の生成を抑えるために、露点３０℃以下の雰囲気中で行うことが望ましい。
また、水酸化皮膜から酸化皮膜への転移は、高温で加熱処理する方が進むが、同時に、酸素との反応により新たな酸化皮膜を生成させるため、特に高温での加熱処理は、窒素雰囲気中または二酸化炭素雰囲気中で行うことが望ましい。
ここで、二酸化炭素は、均一に水酸化皮膜や、酸化皮膜が生成したエッチング箔に対しては、不活性なガスとして作用するが、水酸化皮膜や、酸化皮膜の弱体部では、地金のアルミニウムと反応して還元され、酸化皮膜の生成を促す作用を持つため、エッチング箔表面に、より均一な皮膜を形成する効果を有する。

その後、アジピン酸アンモニウム溶液中で化成処理を行うが、アジピン酸アンモニウムは、化成用薬品として一般的に使用される薬品のうちで、硼酸やリン酸アンモニウムより分子量が大きいため、化成皮膜への陰イオンの取り込みが抑えられ、均一で溶解しにくい化成皮膜の生成を促す。

以上のことから、本発明の電極箔の製造方法によれば、化成皮膜が均一で溶解しにくくなるため、駆動用電解液の含水量が３０％を超えるアルミニウム電解コンデンサや高信頼性を要求されるアルミニウム電解コンデンサ用として、最適な電極箔を提供することができる。

ここで、得られた化成皮膜の均一性、耐溶解性は、リン酸４％、クロム酸２％、液温８５℃の溶液に浸漬して、化成皮膜の溶解速度を測定すること（以下、リン酸クロム酸溶解試験と呼ぶ）により評価できる。
リン酸クロム酸溶解試験は、アルマイトをはじめ、アルミニウムの化成皮膜（陽極酸化皮膜）の評価に、広く利用されている方法で、基材のアルミニウム金属は溶解せず、化成皮膜のみを溶解するため、その重量変化より化成皮膜の均一性、耐溶解性を知ることができる。

図３は、リン酸クロム酸溶解試験を実施した場合の化成皮膜の溶解特性と、その皮膜溶解の状態を模式的に示したものである。
化成皮膜は均一であるが、全体的に溶けやすい皮膜である場合は、図３の曲線Ａに示すとおり立ち上がりが急峻で、短時間で全溶する。
また、化成皮膜が均一で、かつ全体的に溶けにくい皮膜である場合は、図３の曲線Ｂに示すとおり、立ち上がりが緩やかであり、溶解に長時間を要する。

化成皮膜が不均一で、溶けやすい部分と溶けにくい部分が混在した皮膜である場合は、図３の曲線Ｃに示すとおり、まず、短時間で溶けやすい皮膜が溶解すると共に、溶け残った部分（溶けにくい部分）も一部剥離するため、最初に大きく溶解したあと、徐々に溶解する曲線となる。

また、全溶した場合の皮膜重量（全皮膜重量）に対する、図３に示すある一定の時間（ｔ）での皮膜溶解重量の値を比較すると、この値の小さな条件は皮膜が溶けにくいことを示し、定量的に皮膜の均一性、耐溶解性を知ることができる。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

まず、第１〜第３の加熱処理条件の検討を行った。
公知の方法により、アルミニウム原箔に、エッチング（粗面化）、脱塩素処理を行って、エッチング箔のシート（２０ｃｍ×５０ｃｍ）を作製し、ｐＨ：１１、液温：５０℃の水酸化ナトリウムの溶液に３分間浸漬し、水洗した。
その後、表１〜３に示す条件で、第１〜第３の加熱処理条件の検討を順次行い、次いで、アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ ＲＣ−２３６４Ａ １９９９年改訂（以下、ＪＥＩＴＡ法と呼ぶ）に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行った。
評価は、リン酸クロム酸溶解試験により行い、５分後の皮膜溶解量と、全溶した場合の皮膜重量（全皮膜重量）との比を重量％（以下、皮膜溶解度と呼ぶ）で表した。

［実施例１］第１加熱処理条件の検討、表１
第１段階の加熱処理条件は、２５０〜４００℃、１０秒〜５分の間で変えて比較した。
第２段階の加熱処理条件は、１５０℃で２時間、第３段階の加熱処理条件は、４００℃で２時間（露点０℃）として固定した。
なお、比較例として、第１段階の温度２００℃、４５０℃の場合、時間５秒、８分の場合についても調査した。
その結果を表１に示す。

表１に示すとおり、第１段階の加熱処理は、２００℃または５秒の加熱処理では、箔の乾燥が不十分で、不可のものが発生しており、また、４５０℃、または８分の加熱は、皮膜溶解度が大きくなり、皮膜の均一性、耐溶解性が損なわれている。
よって、第１段階の加熱処理条件は、２５０〜４００℃で１０秒〜５分間とするのが適当である。

［実施例２］第２加熱処理条件の検討、表２
第１段階の加熱処理条件は、３５０℃で１分、第３段階の加熱処理条件は、４００℃で２時間（露点０℃）として固定し、第２段階の加熱処理条件を１００〜２５０℃、１０分〜５時間の間で変えて比較した。
なお、比較例として、第２段階の温度８０℃、３００℃の場合、時間５分、８時間の場合についても調査した。
その結果を表２に示す。

表２に示すとおり、第２段階の加熱処理は、温度８０℃、３００℃では、皮膜溶解度が大きくなる。時間については、５分では、加熱温度の低い側で皮膜溶解度が大きくなるものが見られ、また、８時間の加熱処理では、加熱温度の高い側で、皮膜溶解度が大きくなるものが見られた。
よって、第２段階の加熱処理条件は、１００〜２５０℃で１０分〜５時間とするのが適当である。

［実施例３］第３加熱処理条件の検討、表３
第１段階の加熱処理条件は、３５０℃で１分、第２段階の加熱処理条件は１５０℃で２時間として固定し、第３段階の加熱処理条件を、３５０〜５００℃、１０分〜５時間（露点０℃）の間で変えて比較した。
なお、比較例として、第３段階の温度３００℃、５５０℃の場合、時間５分、８時間の場合についても調査した。
その結果を表３に示す。

表３に示すとおり、第３段階の加熱処理は、温度３００℃では、皮膜溶解度が大きくなり、また、５５０℃の加熱では、皮膜溶解度が大きく、漏れ電流も増大した。時間については、５分では、加熱温度の低い側で、皮膜溶解度が大きくなるものが見られ、８時間の加熱処理では、加熱温度の高い側で、漏れ電流の大きくなるものが見られた。
よって、第３段階の加熱処理条件は、３５０〜５００℃で１０分〜５時間とするのが適当である。

次に、化成処理前に使用するアルカリ性溶液（種類、ｐＨ・温度）の検討を行った。
なお、エッチング箔試料の仕様、処理条件は、実施例１〜３と同様とした。

［実施例４］アルカリ性溶液（種類）の検討、表４
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を、表４に示す条件のアルカリ性溶液に３分間浸漬し、水洗したのち、表４に示す条件で、第３段階の加熱処理を行った。アジピン酸アンモニウム１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行い、リン酸クロム酸溶解試験を行って、皮膜溶解度を評価した。
その結果を表４に示す。

表４に示すとおり、比較例のケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、リン酸ナトリウムを使用した場合は、第３段階の加熱処理温度の高いもので皮膜溶解性がやや改善されているが、実施例の水酸化ナトリウムや水酸化カリウム、水酸化カルシウム等の水酸化物イオン、または、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウム等のアルミン酸イオン、炭酸ナトリウム等の炭酸イオンを含む溶液を使用したものと比較すると、皮膜溶解性が劣ることが分かる。

［実施例５］アルカリ性溶液のｐＨ・温度検討、表５
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を、表５に示す条件のアルカリ性溶液に３分間浸漬し、水洗した後、表５に示す条件で、第３段階の加熱処理を行った。その後の化成条件および皮膜溶解度評価方法は実施例１〜３と同様とした。アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行い、リン酸クロム酸溶解試験を行って、皮膜溶解度を評価した。
その結果を表５に示す。

表５に示すとおり、水酸化ナトリウム、および水酸化カルシウムのいずれの溶液においても、ｐＨ：９、液温３５℃では、皮膜溶解度が大きくなり、ｐＨ：１３、液温：７０℃では、エッチング箔の溶解反応が進み、化成後の容量の低下が見られる。
よって、アルカリ性溶液のｐＨは１０〜１２、温度は４０〜６０℃とするのが適当である。

［実施例６］第３の加熱処理条件の露点検討、表６
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を、ｐＨ：１１、液温：５０℃の水酸化ナトリウムの溶液に３分浸漬し、水洗したのち、表６に示す条件で、第３段階の加熱処理条件の露点を変えた試料を作製し、アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行い、リン酸クロム酸溶解試験を行って、皮膜溶解度を評価した。
その結果を表６に示す。

表６に示すとおり、露点−２０〜３０℃の水蒸気雰囲気中では、皮膜溶解度の値にほとんど変化は見られないが、露点３５℃では、全般的に皮膜溶解度が悪化している。
よって、第３の加熱処理条件の露点は３０℃以下が適当である。

［実施例７］第３の加熱処理条件（窒素雰囲気中）の検討、表７
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を、ｐＨ：１１、液温：５０℃の水酸化ナトリウムの溶液に３分浸漬し、水洗したのち、表７に示す条件で、第３段階の加熱処理を行い、アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行い、リン酸クロム酸溶解試験を行って、皮膜溶解度を評価した。
その結果を表７に示す。

表７に示すとおり、窒素雰囲気中で行われた場合、温度５００℃または５時間の加熱処理での皮膜溶解度が、空気雰囲気中で行われたものより優れていることが分かる。

［実施例８］第３の加熱処理条件（二酸化炭素雰囲気中）の検討、表８
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を、ｐＨ：１１、液温：５０℃の水酸化ナトリウムの溶液に３分浸漬し、水洗したのち、表８に示す条件で、第３段階の加熱処理を行い、アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／Ｌ、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に準じて、３０Ｖの定電圧化成を行い、リン酸クロム酸溶解試験を行って、皮膜溶解度を評価した。
その結果を表８に示す。

表８に示すとおり、二酸化炭素雰囲気中で行われた場合、全体的に空気雰囲気中で加熱処理したものと比較して、皮膜溶解度が優れ、温度５００℃または５時間の加熱処理での皮膜溶解度の改善効果が、空気雰囲気中で行われたものより優れていることが分かる。

［実施例９］アルミニウム電極箔による信頼性確認
実施例１〜３で使用したものと同仕様のエッチング箔を表１０に示す条件で、３段階の加熱処理を行い、アジピン酸アンモニウム：１５０ｇ／リットル、液温：８５℃で、ＪＥＩＴＡ法に皮膜安定化処理（欠陥除去、耐水性処理）を加えた条件にて、３０Ｖの定電圧化成を行い、表９に示す駆動用電解液に、表９記載の条件で浸漬して、皮膜耐電圧の低下度合、ΔＶt（初期の耐電圧−浸漬後の耐電圧、ＪＥＩＴＡ法に準ずる）と皮膜溶解度を比較評価した。

表１０に示すとおり、本発明による化成箔を使用したものについて、駆動用電解液の含水量１０〜５０ｗｔ％で比較すると、含水量が多くなるほど特性が若干悪くなるが、従来例よりは格段に改善されていることが分かる。
よって、本発明による均一で溶解しにくい化成皮膜は、駆動用電解液の含水量が３０％を超えるアルミニウム電解コンデンサにおいても、電極箔の皮膜劣化を抑えることができ、信頼性を向上したアルミニウム電解コンデンサを提供できる。

不均一で孤立した形態で形成された気中酸化皮膜を示す模式図である。 エッチング箔のエッチングピット内で、水蒸気により不均一に形成された水和酸化皮膜を示す模式図である。 リン酸クロム酸溶解試験を実施した場合の化成皮膜の溶解特性を示した図である。

符号の説明

１ エッチングピット
２ 気中酸化皮膜
３ 水和酸化皮膜
Ａ 均一であるが、全体的に溶けやすい化成皮膜の溶解曲線
Ｂ 均一で、かつ全体的に溶け難い化成皮膜の溶解曲線
Ｃ 不均一で、溶けやすい部分と溶け難い部分が混在した化成皮膜の溶解曲線

Claims (6)

1. アルミニウム原箔をエッチングした後、化成処理するアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法において、
   化成処理前に、エッチング箔をアルカリ性溶液中に浸漬して、水洗し、
   ２５０〜４００℃で１０秒〜５分間、第１の加熱処理を行い、
   次に、１００〜２５０℃で１０分〜５時間、第２の加熱処理を行い、
   その後、３５０〜５００℃で１０分〜５時間、第３の加熱処理を行った後、
   化成処理を行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法。
2. 請求項１記載のアルカリ性溶液が、水酸化物イオン、アルミン酸イオン、または炭酸イオンを含む溶液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電極箔の製造方法。
3. 請求項１、２記載のアルカリ性溶液のｐＨが１０〜１２、温度が４０〜６０℃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電極箔の製造方法。
4. 請求項１記載の第３の加熱処理を、露点３０℃以下の雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法。
5. 請求項１記載の第３の加熱処理を、窒素雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法。
6. 請求項１記載の第３の加熱処理を、二酸化炭素雰囲気中で行うことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ用電極箔の製造方法。

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