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公開番号2025026990
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-26
出願番号2024204016,2022581687
出願日2024-11-22,2021-08-18
発明の名称ESR安定化を改良したハイブリッドコンデンサ
出願人ケメットエレクトロニクスコーポレーション
代理人弁理士法人白坂
主分類H01G 9/048 20060101AFI20250218BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】導電性ポリマーの還元を緩和することにより、特に、高い温度及び圧力における等価直列抵抗(ESR)に関する性能改良をもたらすコンデンサ及びハイブリッドコンデンサの形成方法を提供する。
【解決手段】ハイブリッドコンデンサは、自らの上に誘電体20を備えたアノード12と、アノード上にバリア層32を備えたカソード14と、を備える。アノードとカソードとの間に、セパレータ22と、導電性ポリマー30と液体電解質28、及び安定化剤とを備える。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
コンデンサであって、
自らの上に誘電体を備えたアノードと、
自らの上にバリア層を備え、前記バリア層はシリカ、シリケート類、シロキサン類、ケイ酸アルミニウム類、リン酸塩、有機絶縁ポリマー、ポリアクリレート類、多糖類、及びセラミックスからなる群より選択されるカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと、
前記アノードと前記カソードとの間の導電性ポリマーと、
前記アノードと前記カソードとの間の液体電解質と、
前記液体電解質と接触する安定化剤と、を備えるコンデンサ。
続きを表示（約 2,500 文字）【請求項２】
前記バリア層は、｛（Ｂａ
１－ｘ
Ｃａ
ｘ
）Ｏ）
ｍ
｛（Ｔｉ
１－ｙ
Ｚｒ
ｙ
｝Ｏ
２
｝
１－ｍ
（ここでｍは０～１）、ＢａＴｉＯ
３
、Ｂａ（Ｚｒ
ｘ
Ｔｉ
１－ｘ
）Ｏ
３
又はＢａ（Ｈｆ
ｘ
Ｔｉ
１－ｘ
）Ｏ
３
（ここでｘは０～１）、ポリアルケン類、セルロース、キトサン、スターチ、Ｈ（ＯＳｉＨ
２
）
ｎ
ＯＨ、（ＯＳｉＨ
２
）
ｎ
、及びリン酸アルミニウムからなる群より選択される請求項
１
に記載のコンデンサ。
【請求項３】
コンデンサであって、
自らの上に誘電体を備えたアノードと、
自らの上にバリア層を備え、前記バリア層は酸化物であるカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと、
前記アノードと前記カソードとの間の導電性ポリマーと、
前記アノードと前記カソードとの間の液体電解質と、
前記アノードと前記カソードとの間の安定化剤と、を備え、
前記セパレータは前記液体電解質中に存在し、
前記安定化剤は
前記アノードと前記カソードとの間の前記液体電解質中に含まれ、前記安定化剤は
、前記導電性ポリマーの還元／酸化電位よりも高い還元／酸化電位を達成するように調整された多数のブロックおよび配位子を含むポリマー主鎖上の遷移金属のキレート錯体であ
り
、
前記安定化剤は、
JPEG
2025026990000005.jpg
172
96
であって、
Ａは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｏｓ、及びＲｕからなる群より選択され、
Ｘは、単分子リガンドであり、
ｎは、１又は２であり、
ｍは、１～１００であり、
ｋは、１～１００であり、
ｌは、１～１００であるものからなる群より選択される、
コンデンサ。
【請求項４】
前記Ｘは、ヘプタフルオロブチレート、４－ニトロベンゾエート、トリフラート、塩化物、臭化物、ヨウ化物、リン酸塩、フタル酸塩、トシラート、ヘキサフルオロホスファート、テトラフルオロボレート、及び過塩素酸塩からなる群より選択される請求項
３
に記載のコンデンサ。
【請求項５】
コンデンサであって、
自らの上に誘電体を備えたアノードと、
自らの上にバリア層を備え、前記バリア層は酸化物であるカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと、
前記アノードと前記カソードとの間の液体電解質と、
前記アノードと前記カソードとの間の導電性ポリマーと、
前記アノードと前記カソードとの間の
ポリマー／電解質の界面における
安定化剤と、を備え、
前記安定化剤は有機ニトロ化合物であって、
前記有機ニトロ化合物は、Ｒ
５
－Ｒ
６
－ＮＯ
２
であり、
Ｒ
５
は、２０までの炭素のアルキル、アルコール、カルボキシル、及びヒドロキシル基から選択され、
Ｒ
６
は、芳香族Ｃ
６
環又は置換芳香族Ｃ
６
環である、コンデンサ。
【請求項６】
前記Ｒ
６
は、２０までの炭素のアルキル、又はヒドロキシル基で置換される請求項
５
に記載のコンデンサ。
【請求項７】
前記Ｒ
６
は、芳香族Ｃ
６
環の２又は３位で置換される請求項
６
に記載のコンデンサ。
【請求項８】
前記Ｒ
６
は、芳香族ナフタレンである請求項
７
に記載のコンデンサ。
【請求項９】
前記有機ニトロ化合物は、
４－
ニトロアニソール、
４－
ニトロベンジルアルコール、
４－
ニトロ安息香酸、４－ニトロサリチル酸、及び４－ニトロ－１－ナフトエ酸からなる群より選択される請求項
５
に記載のコンデンサ。
【請求項１０】
ハイブリッドコンデンサを形成する方法であって、
自らの上に誘電体を備えたアノードを形成することと、
自らの上にバリア層を備えたカソードを形成することと、
セパレータを形成することと、
前記アノード及び前記カソードの間に、導電性ポリマー、液体電解質、安定化剤、及び前記セパレータによる層構造を備えた作用要素を形成することと、を備え、
前記安定化剤は、前記導電性ポリマー主鎖上の遷移金属のキレート錯体を含み、
前記遷移金属のキレート錯体は、前記導電性ポリマー主鎖上の遷移金属のキレート錯体を含み、
前記導電性ポリマー主鎖は、金属カチオンと、前記ポリマーの還元／酸化電位より高い還元／酸化電位を達成するように調整した多数のブロック及びリガンドと、を備え
、
前記安定化剤は、
JPEG
2025026990000006.jpg
172
96
であって、
Ａは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｏｓ、及びＲｕからなる群より選択され、
Ｘは、単分子リガンドであり、
ｎは、１又は２であり、
ｍは、１～１００であり、
ｋは、１～１００であり、
ｌは、１～１００であるものからなる群より選択され
る方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年８月２０日付で出願申請中の米国仮出願第６３／０６７，９４６号の優先権を主張するものであり、本明細書中に参照として援用する。
続きを表示（約 2,100 文字）【０００２】
本発明は、より高い温度及び電圧で等価直列抵抗（ＥＳＲ）安定性を改良したハイブリッドキャパシタに関する。より具体的には、本発明は、カソード上のバリア層と、導電性ポリマーの減衰を阻止するための安定剤と、を備える改良ハイブリッドコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
ハイブリッドアルミニウムコンデンサは、誘電体で被覆されたアノードと、カソードと、誘電体及びカソードの間のセパレータと、を備えた複合システムである。誘電体とカソードとの間の導電性ポリマーにより、誘電体を通じてアノードとカソードとの間の電気的接続を保証し、容量結合を生じる。電解質は、セパレータ／ポリマー構造中、可能な量を充填して、誘電体中に欠陥がある場合に自己治癒を促進する。
【０００４】
本明細書において、ハイブリッドコンデンサには重要な３つの界面がある。その界面とは、誘電体とポリマーとの間の界面、カソードとポリマーとの間の界面、及び電解質とポリマーとの間の界面である。誘電体とポリマーとの間の界面は、ポリマーの導電性にほとんど影響を及ぼすことはない。ポリマーとカソード表面の金属との間の直接接触が、電解質とポリマーとの界面との組み合わせにおいて、ポリマーを非導電状態に転換させ得る電気化学反応を生じる。実際には、高いリーク電流が印可された時、又は高いカソード分極が発生した時、サージ電圧のオーバーローディング中に、導電性ポリマー還元を観察し得る。高いカソード分極は、ポリマーの著しい部分を電気化学的に還元するのに十分な直流電流を結果として生じる著しい負電位である。
【０００５】
最も一般的な導電性ポリマーは、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリアセチレン（ＰＡ）、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）、及びポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）等の共役ポリマーである。共役ポリマーは、ポジティブバイポーラロン状態においてより高い導電性を示し、この場合、ポリマーは、３，４－ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）について図１Ａで、ＰＰｙについて図１Ｂで、ＰＡＮＩについて図１Ｃで示されるように、ニューラル状態からバイポーラ状態に酸化される。ポーラロン状態は、ニュートラルポリマー鎖の化学又は電気化学酸化によって形成され、さらなる酸化がバイポーラロン状態に繋がる。
【０００６】
フェルミエネルギーレベルが最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）に近づくため、バイポーラロン状態は、高程度のｐ－ドーピングに対応する。いくつかの導電性ポリマーでは、ニュートラル鎖は、低ｐＨ溶液による処理等、プロトン化を通じてポーラロン又はバイポーラロンに転じ得るが、これは、プロトンによる分子内酸化と見なされなければならない。ＰＡＮ及びＰＰＹポリマーによると、電子は、反応に関与するプロトンの低エネルギー電子レベルから受容されなければならないため、濃度により、受容されたプロトンからの「ホール」生成プロセスを熱力学的に可能にしなければならない。ＰＥＤＯＴ等、プロトンが関与しない場合、ポリマードーピングは、分子間酸化を通じてのみ導電化され得る。
【０００７】
酸化は、可逆プロセスである。したがって、バイポーラロンをより低い導電性ポーラロン状態と、ほぼ非導電ニュートラル状態に還元して戻すには、ポリマーについて、フェルミレベルが上昇されなければならず、又は、電気化学電位が低下されなければならない。さらに、還元のためには、電子源が存在しなければならず、イオン交換が許容されて、全体的な電気的中立性が維持されなければならない。還元プロセスは、化学的又は電気化学的メカニズムを通じて発生し得る。
【０００８】
電解質がなければ、活性化バリアが高く、強い還元剤が要求されるために、還元プロセスが著しく抑制されてしまう。しかしながら、電解質を含有するハイブリッドコンデンサにおいて、活性化バリアは、試薬の溶媒和、吸着、及びイオン物質移動によって還元される。
【０００９】
電気化学還元は、ポリマーが金属電極と直接電子接触するときにも発生し得るものであり、電極のフェルミレベルは、バイポーラロン又はポーラロンバンドへの電子トンネル化を保証するのに十分な高さである。バイポーラロンバンドが電子で埋められる時、フェルミレベルと最高非被占分子軌道（ＨＵＭＯ：Highest Unoccupied Molecular Orbital）とのギャップ、すなわち価電子帯がより大きくなり、結果として全体的なポリマー導電性の低下を生じる。
【００１０】
本発明は、導電性ポリマーの還元を緩和することにより、特に、高い温度及び圧力におけるＥＳＲに関する性能改良をもたらすことのできる構造的成分を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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