JP4745470B2

JP4745470B2 - 電解コンデンサ用電解液およびそれを用いた電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4745470B2
Application number: JP03679198A
Authority: JP
Inventors: 賢次玉光
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: JPH11219866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電解コンデンサ用電解液、特に高温寿命特性の良好な電解コンデンサ用電解液、およびそれを用いた電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解コンデンサは、一般的には、帯状の高純度のアルミニウム等の弁金属の箔に、化学的あるいは電気化学的にエッチング処理を施して、箔表面を拡大させるとともに、この箔をホウ酸アンモニウム水溶液等の化成液中にて化成処理して表面に酸化皮膜層を形成させた陽極電極箔と、エッチング処理のみを施した高純度の箔からなる陰極電極箔とを、マニラ紙等からなる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。そして、このコンデンサ素子は電解コンデンサ駆動用の電解液を含浸した後、有底筒状の外装ケースに収納する。外装ケースの開口部には弾性ゴムからなる封口体を装着し、絞り加工により外装ケースを密封している。
【０００３】
陽極電極箔、陰極電極箔には、それぞれ両極の電極を外部に引き出すのための電極引出し手段であるリード線がステッチ、超音波溶接等の手段により接続されている。それぞれの電極引出し手段であるリード線は、丸棒部と、両極電極箔に当接する接続部と、さらに丸棒部の先端に溶接等の手段で固着された半田付け可能な金属からなる外部接続部とからなる。
【０００４】
コンデンサ素子に含浸される電解コンデンサ駆動用の電解液には、使用される電解コンデンサの性能によって種々のものがあり、その中で、低圧用の、特に高温長寿命特性を有する低比抵抗の電解液として、エチレングリコールとγ─ブチロラクトンの混合溶媒にフタル酸トリエチルアンモニウムを溶解したものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、車載分野において、自動車性能の高機能化に伴い、高温となるエンジンルーム内での電子部品の使用の要求が高まっているが、前記電解液を用いた電解コンデンサでも、この高温使用に耐えることができなかった。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、高温寿命特性が良好で、さらに、低温特性も良好な電解コンデンサ、およびその電解コンデンサに用いる電解液を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、電解コンデンサ用電解液の溶媒としてプロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを用い、溶質のカチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の電解コンデンサは、プロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを溶媒とした電解液を用い、溶質のカチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム電解コンデンサの構造は図１、図２に示すように、従来と同じ構造をとっている。コンデンサ素子１は陽極電極箔２と陰極電極箔３をセパレータ１１を介して巻回して形成する。また図２に示すように陽極電極箔２、陰極電極箔３には陽極引出し用のリード線４、陰極引出し用のリード線５がそれぞれ接続されている。これらのリード線４、５は、電極箔に当接する接続部７とこの接続部７と一体に形成した丸棒部６、および丸棒部６の先端に固着した外部接続部８からなる。また、接続部７および丸棒部６は高純度のアルミニウム、外部接続部８ははんだメッキを施した銅メッキ鉄鋼線からなる。このリード線４、５は、接続部７においてそれぞれステッチや超音波溶接等の手段により両極電極箔２、３に電気的に接続されている。
【００１０】
陽極電極箔２は、純度９９％以上のアルミニウム箔を酸性溶液中で化学的あるいは電気化学的にエッチングして拡面処理した後、ホウ酸アンモニウム、リン酸アンモニウムあるいはアジピン酸アンモニウム等の水溶液中で化成処理を行い、その表面に陽極酸化皮膜層を形成したものを用いる。
【００１１】
前記のように構成したコンデンサ素子１に、アルミニウム電解コンデンサの駆動用の電解液を含浸する。
【００１２】
以上のような電解液を含浸したコンデンサ素子１を、有底筒状のアルミニウムよりなる外装ケース１０に収納し、外装ケース１０の開口部に封口体９を装着するとともに、外装ケース１０の端部に絞り加工を施して外装ケース１０を密封する。封口体９は例えばブチルゴム等の弾性ゴムからなり、リード線４、５をそれぞれ導出する貫通孔を備えている。
【００１３】
本発明においては、この電解液の溶媒として、プロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを用いる。また、他の溶媒との混合溶媒としても用いることができる。
【００１４】
混合する溶媒としては、プロトン性の有機極性溶媒として、一価アルコール類（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）、多価アルコール類およびオキシアルコール化合物類（エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、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）などが挙げられる。また、非プロトン性の有機極性溶媒としては、アミド系（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）、ラクトン類（γ─ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等）、環状アミド系（Ｎ─メチル─２─ピロリドン、エチレンカーボネイト、イソブチレンカーボネイト等）、ニトリル系（アセトニトリル等）、オキシド系（ジメチルスルホキシド等）、２−イミダゾリジノン系〔１，３−ジアルキル−２−イミダゾリジノン（１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ジエチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ジ（ｎ−プロピル）−２−イミダゾリジノン等）、１，３，４−トリアルキル−２−イミダゾリジノン（１，３，４−トリメチル−２−イミダゾリジノン等）〕などが代表として挙げられる。
【００１５】
電解液に含まれる溶質としては、通常電解コンデンサ駆動用電解液に用いられる、酸の共役塩基をアニオン成分として用い、カチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いる。
【００１６】
アニオン成分としては、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、安息香酸、トルイル酸、エナント酸、マロン酸等のカルボン酸、フェノール類、ほう酸、りん酸、炭酸、けい酸等の酸の共役塩基が例示される。
【００１７】
さらに、本発明の電解コンデンサ用電解液に、ほう酸系化合物、例えばほう酸、ほう酸と多糖類（マンニット、ソルビットなど）との錯化合物、ほう酸と多価アルコール（エチレングリコール、グリセリンなど）との錯化合物等、界面活性剤、コロイダルシリカ等を添加することによって、耐電圧の向上をはかることができる。
【００１８】
また、漏れ電流の低減や水素ガス吸収等の目的で種々の添加剤を添加することができる。添加剤としては、例えば、芳香族ニトロ化合物、（ｐ−ニトロ安息香酸、ｐ−ニトロフェノールなど）、リン系化合物（リン酸、亜リン酸、ポリリン酸、酸性リン酸エステル化合物）、オキシカルボン酸化合物等を挙げることができる。
【００１９】
以上のような本発明の電解液を用いたアルミニウム電解コンデンサは、高温寿命特性が良好で、さらに、低温特性も良好なアルミニウム電解コンデンサである。
【００２０】
また、前記の電解液においてプロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上の混合溶媒中の含有率が、２０重量％以上の場合は、低温特性がさらに良好であり、６０重量％以下の場合は、高温寿命特性がさらに良好となるので、含有率は２０〜６０重量％であることが好ましい。
【００２１】
ここで、カチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いると、低温特性はより良好となる。
【００２２】
この四級化イミダゾリニウムとしては、１，３−ジメチルイミダゾリニウム、１，２，３−トリメチルイミダゾリニウム、１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリニウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム等が挙げられる。
【００２３】
また、四級化ピリミジニウムとしては、１，３−ジメチル−４，５，６−トリヒドロピリミジニウム、１，２，３−トリメチル−４，５，６−トリヒドロピリミジニウム、１，２，３，４−テトラメチル−５，６−ジヒドロピリミジニウム、１−エチル−３−メチル−４，５，６−トリヒドロピリミジニウム、１−エチル−２，３−ジメチル−４，５，６−トリヒドロピリミジニウム等が挙げられる。
【００２４】
ここで、従来の四級化イミダゾリニウム塩又は四級化ピリミジニウム塩等の四級化環状アミジニウム塩を溶質とした電解液においては、溶媒としてγ─ブチロラクトンを用いていたが、この電解液では、負荷、無負荷、双方の寿命試験中に封口体９とリード線の丸棒部６の間から電解液が漏れるという問題があったが、本発明の溶媒においては、この漏液も防止できる。
【００２５】
さらに、本発明の電解コンデンサに、逆電圧が印加された場合にも、漏液は発生しない。すなわち、逆電圧が印加されると、陽極側にカソード電流が流れることになるが、陽極箔の分極抵抗は陰極箔に比べて極めて大きいので、陽極側のカソード電流の大部分は陽極タブに流れることになる。したがって、従来の電解コンデンサでは、逆電圧試験の初期に漏液が発生することがあった。しかしながら、本発明の電解コンデンサにおいては、この逆電圧試験においても、漏液状態が抑制される。以上のように、本発明の漏液防止効果は極めて強いものである。
【００２６】
また、陰極電極箔３として、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化ニオブから選ばれた金属窒化物、又は、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブから選ばれた金属を蒸着法、メッキ法、塗布など従来より知られている方法により被覆した陰極電極箔を用いることができる。ここで、被覆する部分は陰極電極箔の全面に被覆してもよいし、必要に応じて陰極電極箔の一部、例えば陰極電極箔の一面のみに金属窒化物又は金属を被覆してもよい。このことによって、漏液防止効果はさらに向上する。
【００２７】
また、リード線４、５の、少なくとも丸棒部６の表面には、ホウ酸アンモニウム水溶液、リン酸アンモニウム水溶液あるいはアジピン酸アンモニウム水溶液等による陽極酸化処理によって形成した酸化アルミニウム層を形成したり、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂などからなるセラミックスコーティング層等の絶縁層を形成することができる。このことによって、漏液防止効果はさらに向上する。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（表１）、（表２）は、本発明の各実施例の電解コンデンサ用電解液の組成、及び３０℃と−４０℃の比抵抗を示したものである。
【００２９】
【表１】

＊ SL ：スルホラン
DVL ：δ−バレロラクトン
EDMIP ：フタル酸１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム
TNAP ：フタル酸テトラメチルアンモニウム
DVL の欄の( ) ：γ─ブチロラクトンそれぞれの混合溶媒中の重量％
【００３０】
【表２】

＊ PC ：プロピレンカーボネイト
【００３１】
また、実施例８として、実施例４、１００部に、ｐ−ニトロ安息香酸、１部、りん酸、０．３部、添加したものの比抵抗を測定したところ、３０℃で２４２Ω−ｃｍ、−４０℃では６．０ｋΩ−ｃｍであった。また、実施例１６として、実施例１２、１００部に、ｐ−ニトロ安息香酸、１部、りん酸、０．３部、添加したものの比抵抗を測定したところ、３０℃で１６６Ω−ｃｍ、−４０℃では３．１ｋΩ−ｃｍであった。
【００３２】
また、従来例として、γ─ブチロラクトン、３７．５重量％、エチレングリコール、３７．５重量％に、フタル酸トリエチルアンモニウム、２５重量％を溶解した電解液の比抵抗を測定したところ、３０℃では、２１０Ω−ｃｍ、−４０℃では９．０ｋΩ−ｃｍであった。
【００３３】
（表１）、（表２）から明らかなように、本発明の実施例１〜１６の３０℃及び−４０℃の比抵抗は、良好である。特に、δ−バレロラクトンの含有率が２０重量％以上の実施例２〜８、プロピレンカーボネイトの含有率が２０重量％以上の実施例１０〜１６は、−４０℃においても低比抵抗を保っており、−４０℃使用が可能であることがわかる。これに対して、比較例１においては、−４０℃では凝固しており、−４０℃で使用することはできない。
【００３４】
また、溶質としてフタル酸１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウムを用いた実施例４、１２は、それぞれフタル酸テトラメチルアンモニウムを用いた実施例７、１５より、３０℃、−４０℃とも、比抵抗は低く保たれている。
【００３５】
次に、高温寿命特性を評価するために、実施例２、３、４、６の電解液、及び、従来例の電解液をを用いてアルミニウム電解コンデンサを作成した。ここで使用したアルミニウム電解コンデンサの定格は、１６Ｖ−４７μＦ、ケースサイズはφ６．３ｍｍ×５ｍｍである。そして、これらの電解コンデンサの、各試料２５個に１２５℃の下で定格電圧を印加し、１０００時間、２０００時間経過後の静電容量の変化率（ΔＣ）、損失角の正接（ｔａｎ）の測定を行った。結果を（表３）に示す。
【００３６】
【表３】

＊Ｃａｐ（μＦ）、ΔＣ（％）、ＬＣ（μＡ）
【００３７】
（表３）から明らかなように、実施例の電解コンデンサの高温寿命特性は、従来例よりも、良好であり、初期の損失角の正接も低く保たれている。特に、溶媒中のδ−バレロラクトンの含有率が２０〜６０重量％の範囲にある実施例２〜４は、１２５℃、２０００時間まで良好な特性を維持している。
【００３８】
次いで、漏液特性を評価するために、実施例４、１２の電解液を用いた電解コンデンサ及び、比較例３としてγ─ブチロラクトン７５重量％、フタル酸１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリニウム２５重量％の電解液を用いた電解コンデンサについて、各試料２５個に８５℃、８５ＲＨ％の下で定格電圧を印加し、５００時間、１０００時間、及び２０００時間経過後の漏液の有無について目視での観察を行った。その結果を（表４）に示す。また、同じ電解コンデンサを用いて、各試料２５個に８５℃、８５％ＲＨの下で−１．５Ｖの逆電圧を印加し、２５０時間、５００時間、及び１０００時間経過後の漏液の有無について目視での観察を行った。その結果を（表５）に示す。
【００３９】
【表４】

【００４０】
【表５】

【００４１】
（表４）から明らかなように、γ─ブチロラクトンを溶媒として用いた比較例３では、１０００時間後に漏液が発生しているが、本発明の実施例４、１２の電解液を用いた電解コンデンサは２０００時間後にも漏液はなく、良好な結果を得ている。また、（表５）から明らかなように、逆電圧試験においても、比較例では２５０時間で漏液が発生しているが、本発明の実施例においては１０００時間においても漏液は発生せず、漏液防止効果は極めて強いことがわかる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、この発明の電解コンデンサ用電解コンデンサは、溶媒として、プロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを用い、溶質のカチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いたものである。
【００４３】
この電解液を用いた電解コンデンサは、高温寿命特性が良好で、さらに、低温特性も良好である。
【００４６】
そして、この場合に、漏液することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム電解コンデンサの構造を示す内部断面図である。
【図２】コンデンサ素子の構造を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１コンデンサ素子
２陽極電極箔
３陰極電極箔
４陽極引出し用のリード線
５陰極引出し用のリード線
６丸棒部
７接続部
８外部接続部
９封口体
１０外装ケース
１１セパレータ

Claims

溶媒として、溶媒中の含有率が２０〜６０重量％であるプロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを用い、溶質のカチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いた電解コンデンサ用電解液。
溶媒として、溶媒中の含有率が２０〜６０重量％であるプロピレンカーボネイト、δ−バレロラクトンから選ばれる１種以上と、スルホランを用い、溶質のカチオン成分として、四級化イミダゾリニウム又は四級化ピリミジニウムを用いてなる電解コンデンサ用電解液を用いた電解コンデンサ。