导电性材料调配物及其用途
【专利摘要】本发明涉及导电性材料调配物及其用途。本发明提供一种导电性材料调配物，其包括：(a)导电性高分子材料，及(b)绝缘材料，其中该导电性高分子材料系衍生自导电性高分子及聚阴离子，且该导电性高分子具有介于3,000至30,000之间的重均分子量，其中，以100重量份的(a)导电性高分子材料计，该(b)绝缘材料的含量为约0.01重量份至约200重量份。本发明的导电性材料调配物可用于制备固态电容。
【专利说明】导电性材料调配物及其用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导电性材料调配物，特别涉及一种可用于固态电容的导电性材料调配物。本发明还涉及一种利用该导电性材料调配物的固态电容。
【背景技术】
[0002]电容器为一广泛使用于各类电子产品中的电子组件。随着科技的发展，电子产品具有小型化及轻量化的趋势，因此，电子产品必须要求其中所使用的电容器具有小型化、大容量及在高频使用下低阻抗等特性。
[0003]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。液态电解液主要成份包含高沸点醇类、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。上述成份除作为电荷传导物质外，还具有修补铝箔上介电层氧化铝的功能。若氧化铝介电层有缺陷而导致内层铝金属裸露，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，进而达到修补的功能。然而，传统的铝液态电容虽然成本较低，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，但其并未从根本上解决问题，且传统液态电容虽有高容量，却因具有高的等效串联电阻(ESR)而使其应用受限。
[0004]综上所述，开发了新一代的固态电容，直接将电解质由液态电解质换成固态电解质。导电高分子为目前已开发的固态电解质之一。导电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之故。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是如四氰基苯醌二甲烷(tetracyanoquinodimethane, TCNQ)复合盐及无机半导体MnO2的固态半导体络盐有更高的导电度，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。
[0005]除比一般电容拥有高达6倍的使用寿命外，固态电容具有较高的稳定性，且电容量不易受使用时周围温度和湿度的影响，此外，其亦具有低ESR、低容变率、优良的频率响应(耐高频)、耐高温且耐高电流的性质，并可杜绝所有漏液及电容爆裂问题。
[0006]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溃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驱除。由于聚苯胺分子体积太大，不易渗入阳极箔介电层的微孔中，因此，此法所得电容器的含浸率差、阻抗高。其后，为了使高分子更易渗入微孔中，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。其方法是将电容器分别浸溃于导电性高分子单体及氧化剂溶液后，于适当条件下使导电性高分子单体聚合，通过反复多次浸溃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, ED0T)搭配氧化剂对甲苯横酸铁(iron (III)p-toluenesulphonate)成功制作以聚 3，4_ 乙烯二氧噻吩(poly-3, 4-ethylenedioxythiophene, PED0T)为电解质的铝固态电容。此外，与EDOT具有相关结构的3，4-乙烯二硫噻吩(3，4-ethylenedithiathiophene, EDTT)亦经发现可转换为电活性高分子(LambertusGroenendaal 等人，Adv.Mater.2000, 12, N0.7)。
[0007]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。【技术领域】中是利用单体EDOT与对甲苯磺酸铁直接在电容中进行聚合反应制备PED0T。上述制造工艺属于原位反应(in situ reaction),且可根据含浸方式分为一液法、两液法或多液法。一液法是将电容元件(capacitor element)浸溃在EDOT和对甲苯磺酸铁的混合溶液中，再进行加热聚合。二液法是将电容元件(capacitorelement)分别含浸EDOT及对甲苯磺酸铁，再进行加热聚合。然而，一液法必须小心控制工艺参数，避免EDOT在含浸前发生聚合，二液法则易有溶液污染的问题。
[0008]此外,利用原位反应(in situ polymerization)在阳极箔介电层表面或孔隙中所聚合的PEDOT多为粉体结构，此粉体结构聚合度低、物理性质较差，不易粘着于电极表面或表面孔隙而易于脱落，耐受的工作电压有限，故无法有效应用于16V以上的固态电容。
[0009]为解决上述问题,Stephan Kirchmeyer等人曾提出利用非原位聚合反应合成出导电高分子(J.Mater.Chem.2005, 15，2077-2088)，但是非原位聚合反应所合成出的导电高分子，一般都具有重复单元短(约6至18重复单元)，低聚合度(重均分子量约低于2500)的缺点，此低聚合度的高分子由于本身物理性质较差而无法应用于高耐压的工作环境。
[0010]因此，相关【技术领域】期待开发一种具有改良的物理性质的导电材料，可应用在耐更高电压且稳定度佳的固态电容，以取代液态电容，符合现今电子产品中对电容器需具备小型化、大容量、耐高温及高频的需求。
[0011]本发明提供一种固态电容，其具有改良物理性质的固态电解质，以降低电子击穿机会及提高固态电容阴极及阳极之间的绝缘性，进而提高固态电容的耐电压。
【发明内容】
[0012]本发明的一方面提供一种导电性材料调配物，其包含:(a)导电性高分子材料及(b)绝缘材料。
[0013]本发明另一方面提供一种固态电容，其包含:
[0014]阳极；
[0015]介电层，其形成于该阳极上；
[0016]阴极；及
[0017]固态电解质，其位于该介电层与该阴极之间，
[0018]其中，该固态电解质包含本发明的导电性材料调配物。
[0019]有益效果
[0020]本发明的有益效果在于本发明的导电性材料调配物包含(a)导电性高分子材料和(b)绝缘材料，导电性高分子材料和绝缘材料彼此之间并不会产生化学反应，且绝缘材料在固态电容材料结构组成上提供一类似保护层作用，可增加固态电容阴极及阳极之间的绝缘性，降低电子击穿机会进而可大幅提升固态电容的耐电压值。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为公知的固态电容组件。
[0022]图2为公知的固态电容。
[0023]图3为根据本发明的一个实施例的固态电容。
[0024]图4为根据本发明的一个实施例的固态电容。
[0025]图5为根据本发明的一个实施例的固态电容。
[0026]符号说明
[0027]I 阳极箔
[0028]3 阴极箔
[0029]5a 隔离器
[0030]5b 隔离器
[0031]7a 导线
[0032]7b 导线
[0033]9 电容器组件
[0034]A 阳极
[0035]C 阴极
[0036]D 介电层
[0037]Dl 绝缘材料
[0038]E 固态电解质
[0039]El 导电性高分子材料
【具体实施方式】
[0040]为便于理解本文所陈述之揭示内容，兹于下文中定义若干术语。
[0041]术语“约”是指如由本领域普通技术人员所测定的特定值的可接受误差，其部分地视如何量测或测定该值而定。
[0042]术语“烷基”是指直链或支链碳链基团。在某些实施方式中，烷基为具有I至20个碳原子(Cu)、1至15个碳原子(Ch15)、1至10个碳原子(C1,)或I至6个碳原子(U的碳链基团。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基(包括所有异构形式)、丁基(包括所有异构形式)、戊基(包括所有异构形式)及己基(包括所有异构形式)。
[0043]术语“亚烷基”是指直链或支链二价碳链基团。在某些实施方式中，亚烷基为具有I至4个碳原子(CV4)的二价碳链基团。亚烷基的实例包括但不限于亚甲基、亚乙基、亚丙基(包括所有异构形式)及亚丁基(包括所有异构形式)。
[0044]术语“烷氧基”表示经由氧原子连接至分子的其余部分的如上文所述的烷基。烷氧基的实例包括但不限于甲氧基、乙氧基、丙氧基、正丙氧基、2-丙氧基、正丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基。
[0045]术语“芳基”是指单环或多环单价芳族基团。在某些实施方式中，芳基具有6至20个环原子(C6_J、6至15个环原子(C6_15)或6至10个环原子(C6,)。芳基的实例包括但不限于苯基、萘基、芴基、奥基、蒽基、菲基、芘基、联苯基及三联苯基。芳基也可以指双环或三环状碳环，其中这些环中之一为芳族环且其余可为饱和、部分不饱和或芳族环，例如，二氢萘基、茚基、二氢茚基或四氢萘基(萘满基)。
[0046]所述烷基、烷氧基和芳基可以经取代。所使用的“经取代”一词是指以取代基取代氢。所述的取代基，没有特别限制，可以列举例如滷素原子，如氟、氯、溴、碘；烷基如C^6烷基，例如甲基、乙基、丙基(包括所有异构形式)、丁基(包括所有异构形式)、戊基(包括所有异构形式)、己基(包括所有异构形式)等；烷氧基如Cu烷氧基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基(包括所有异构形式)、丁氧基(包括所有异构形式)、戊氧基(包括所有异构形式)、己氧基(包括所有异构形式)等；烧硫基如CV6烷氧基，例如甲硫基、乙硫基、丙硫基(包括所有异构形式)、丁硫基(包括所有异构形式)、戊硫基(包括所有异构形式)、己硫基(包括所有异构形式)等；烯基如C2_6烯基，例如乙烯基、丙烯基、稀丙基等；竣基；硝基；横基；疏基；羟基；烧酸基如Ch6烷酰基，例如甲酰基、乙酰基、丙酰基等；芳基如(^2芳基，例如苯基、萘基等；杂环基如呋喃基、噻吩基、吡咯基、吡喃基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基等。取代基的数目没有特别限制，为最大取代数目以下即可。
[0047]以下将具体地描述根据本发明的部分【具体实施方式】；但是，在不背离本发明的精神下，本发明尚可以多种不同形式来实践，不应将本发明保护范围解释为限于说明书所陈述的内容。此外，除非文中有另外说明，于本说明书中(尤其是在权利要求书中)所使用的“一”、“该”及类似用语应理解为包含单数及复数形式，所使用的“经取代”一词是指以取代基取代氢。另外，为明确起见，图式中可能夸张显示各组件及区域的尺寸，而未按照实际比例绘制。
[0048]导电性材料调配物
[0049]本发明的导电性材料调配物包括:(a)导电性高分子材料，及(b)绝缘材料。
[0050]导电性高分子材料
[0051 ] 本发明的导电性高分子材料衍生自导电性高分子及聚阴离子，上述导电性高分子包含衍生自式(I)的单体的聚合单元:
[0052]
【权利要求】
1.一种导电性材料调配物，其特征在于，其包括: 导电性高分子材料，及 绝缘材料， 其中该导电性高分子材料衍生自导电性高分子及聚阴离子，其中该导电性高分子包含衍生自式(I)单体的聚合单元:
2.如权利要求1所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该导电性高分子材料进一步包含衍生自式(II)单体的聚合单元:
3.如权利要求1所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该式(I)单体选自以下单体所组成的组:
4.如权利要求2所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该式(II)单体选自以下单体所组成的组:
5.如权利要求1所 述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该导电性高分子材料具有介于约10纳米至约1000纳米的范围的尺寸。
6.如权利要求1所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该绝缘材料具有IO3至IO12欧姆.米的电阻率。
7.如权利要求1所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该绝缘材料选自无机氧化物、非共轭高分子及其组合。
8.如权利要求7所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该无机氧化物选自由二氧化钛、氧化铝、氧化锌、氧化铟锡及二氧化硅所构成的组。
9.如权利要求7所述的导电性材料调配物，其特征在于，其中该非共轭高分子选自由环氧单体、环氧低聚物、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、羧甲基纤维素、聚乙二醇、聚丙烯酰胺及聚四氟乙烯所构成的组。
10.一种固态电容，其包含: 阳极； 介电层，其形成于该阳极上； 阴极；及 固态电解质，其位于该介电层与该阴极之间， 其中，该固态电解质包含如权利要求1至9中任一项所述的导电性材料调配物。
【文档编号】H01G9/15GK103762080SQ201310747060
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年5月20日
【发明者】陈信宏 申请人:长兴化学工业股份有限公司