[发明专利]电解质材料调配物、由其形成的电解质材料组合物及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及电解质材料调配物，由该电解质材料调配物所形成的电解质材料组合物，及利用该电解质材料组合物的固态电容。

背景技术

电容器为广泛使用于各类电子产品中的电子组件，随着科技的发展，电子产品趋向小型化、轻量化的发展，对其中使用的电容器，提出小型化、大容量、在高频使用下低阻抗等特性要求。

电容器依电解质形态可分为传统的液态电容及新开发的固态电容。早期铝质液态电容的电解质以液态电解液作为电荷传导物质。液态电解液的主要成分包含高沸点醇类、离子液体、硼酸、磷酸、有机羧酸、铵盐、高极性有机溶剂及少量的水。上述成分除作为电荷传导物质外，也有修补铝箔上氧化铝介电层的功能。若氧化铝介电层有缺陷导致内层铝金属裸露，则该电解液在电容充放电的过程中，可与裸露的铝金属反应产生氧化铝，达到修补的功能。然而，传统的铝液态电容，虽以较低的成本满足大容量的需求，但由于使用的电解液为液体，因而存在着导电率较低、不耐高温等缺点；且在产生氧化铝的过程中还会产生氢气，若累积在电容中的氢气过多，易导致电容爆裂，损坏电子产品。虽然液态电解液可添加吸氢剂来降低电容爆裂的可能性，但其并没有从根本上解决问题。

有鉴于此，便有新一代的固态电容产生，直接将电解质由液态电解质换成固态电解质。固态电解质由导电高分子所组成，该高分子具有导电性是因为氧化剂的阴离子作为掺杂剂(dopant)混入高分子结构中而形成空穴。由于导电高分子较传统电解质电容器所用的液态电解液或固态有机半导体络盐，如四氰基对苯醌二甲烷(tetracyanoquinodimethane,TCNQ)复合盐及无机半导体MnO₂，有更高的导电度，且具有适度的高温绝缘化特性，因此导电高分子成为现今电解电容器所使用的固态电解质的开发潮流。

固态电容的特色除使用寿命加长，比一般电容拥有高达6倍的使用寿命外，稳定性增高，电容量不易受使用时周围温度和湿度的影响，另外，低等效串联电阻(ESR)、低电容变化率、优良的频率响应(耐高频)、耐高温且耐高电流，杜绝所有漏液及电容爆裂问题。传统液态电容虽有高容量，却因高ESR而使其应用受限。

Jesse S.Shaffer等人于美国专利第4,609,971号首次揭露了将导电性高分子应用于电解电容器的电解质。其方法是将电容器的阳极铝箔浸渍于由导电高分子聚苯胺(polyaniline)粉末及掺杂剂LiClO₄所组成的混合溶液，随后将铝箔上的溶剂除去。由于聚苯胺分子体积太大，不易渗入阳极箔的微孔中，因此，此法所得电容器的浸渍率差、阻抗高。其后，为了使高分子更易渗入阳极箔的微孔中，Gerhard Hellwig等人于美国专利第4,803,596号揭露以化学氧化聚合法将导电性高分子作为电容器的电解质。其方法是将电容器阳极箔分别浸渍于导电性高分子单体及氧化剂的溶液后，于适当条件下使导电性高分子单体聚合，通过反复多次浸渍以累积足够的导电性高分子电解质的厚度。之后，德国Bayer公司的Friedrich Jonas等人于美国专利第4,910,645首度揭露使用单体3,4-乙烯二氧噻吩(3,4-ethylenedioxythiophene,EDOT)搭配氧化剂对甲苯磺酸铁(iron(III)p-toluenesulphonate)成功制作以聚3,4-乙烯二氧噻吩(poly-3,4-ethylenedioxythiophene,PEDOT)为电解质的铝固态电容。导电高分子PEDOT具有耐热性佳、导电度高、电荷传导速度快、无毒、寿命长及应用于电容不会发生电容爆裂等优点。目前几乎所有的固态电容制造商皆是用以上二种材料生产铝或钽固态电容，然而，将电容元件(capacitor element)浸渍在含有单体EDOT和对甲苯磺酸铁的混合溶液中，在铝箔表面或孔隙中所聚合成的PEDOT多为粉体结构，此粉体结构不但本身物理性质较差且不易粘着于铝箔表面或孔隙，易于脱落，因此不易在铝箔表面或孔隙上形成完整的PEDOT高分子结构，故应用在16V以上的固态电容稳定性差，导致在16V以上的固态电容的制造工艺无法使用或制造工艺合格率低。再者，导电高分子PEDOT形成的粉体状结构不易粘着于铝箔孔隙，有易脱落问题，故其可耐受的工作电压有限。

日本专利公开2010-129651号公报揭示，将电容元件直接浸渍在含有聚合物PEDOT的高分子溶液中，可在铝箔表面或孔隙形成完整的PEDOT高分子结构，故此固态电容可应用在50V电压的工作环境，然而，聚合物PEDOT材料比单体EDOT成本高、保存不易，而且其制造工艺比起传统制造工艺时间长而不易控制。