JP2007157811A

JP2007157811A - 巻回形電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP2007157811A
Application number: JP2005347623A
Authority: JP
Inventors: Eri Hirose; 恵理広瀬; 芳典 ▲高▼向; Yoshinori Takamukai; Yasuyuki Ito; 靖幸伊藤; Satomi Onishi; 聡都美大西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-21
Also published as: CN101317242A; CN101317242B

Abstract

【課題】分極性電極層表面での電気化学反応を抑制して特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【解決手段】分極性電極層を両面に形成した集電体の一部を露出させて陽極・陰極リード線８，９を接続した陽極電極２と陰極電極３の間にセパレータ４を介在させて巻回したコンデンサ素子１と、このコンデンサ素子１を駆動用電解液と共に収納した金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した開口部材とを備え、上記コンデンサ素子１の陽極電極２の巻き終わりから少なくとも一周分を陰極電極３を巻回することにより、コンデンサ素子１の最外周部に陰極電極３に形成された分極性電極層どうしがセパレータ４を介して対向する部分を設けた構成により、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器に使用される巻回形電気二重層コンデンサに関するものである。

図４（ａ）、（ｂ）はこの種の従来の巻回形電気二重層コンデンサの構成を示した分解斜視図と同コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図であり、図４において、３１はコンデンサ素子を示し、このコンデンサ素子３１は陽極電極３４と陰極電極３５をその間にセパレータ３６を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。

また、上記陽極電極３４と陰極電極３５は、金属箔からなる集電体（図示せず）の両面に分極性電極層（図示せず）を夫々形成することにより構成されたものであり、さらに、陽極電極３４と陰極電極３５には陽極リード線３２と陰極リード線３３が夫々接続されているものである。

そして、このように構成されたコンデンサ素子３１は、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に有底円筒状の金属ケース３８内に挿入し、陽極リード線３２と陰極リード線３３が挿通する孔を有したゴム製の封口部材３７を金属ケース３８の開口部に配設した後、金属ケース３８の開口部の外周を内側に絞り加工して封止を行っているものである。

また、上記陽極電極３４と陰極電極３５に形成された分極性電極層は、活性炭粉末と導電性付与剤であるカーボンブラック、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと略す）の水溶性バインダーを混合して混練機で充分に混練してペーストを作製し、このペーストをアルミニウム箔からなる集電体の表裏面に塗布、乾燥することにより形成したものであり、陽極電極３４ならびに陰極電極３５共に、略同じ寸法に形成されたものである。

また、陽極リード線３２と陰極リード線３３は、集電体であるアルミニウム箔との接続を良好にするために、接続部分は分極性電極層が部分的に除去されて、集電体であるアルミニウム箔を露出させているものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開平１０−２７０２９３号公報特開平９−１７６９５号公報

しかしながら上記従来の巻回形電気二重層コンデンサでは、陽極電極３４の容量と陰極電極３５の容量を同じ容量に設計しているため、電気二重層コンデンサに電圧を印加した際、陽極電極３４と陰極電極３５は自然電位より同じ幅だけ分極されることになり、これにより、各電極の分極性電極層の表面で電気化学反応が起きてガス発生や抵抗増加、及び容量減少等の特性劣化が発生するという課題を有したものであった。

また、陽極電極３４と陰極電極３５とをセパレータ３６を介在させて巻回した際に、陽極電極３４が陰極電極３５よりも少し長くなり、陽極電極３４がはみ出すことがあり、このように陽極電極３４がはみ出した状態で長時間使用すると、陰極電極３５の先端と陽極電極３４の間で駆動用電解液が化学反応を起こして電解質アニオンのＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-等が陽極側に引き寄せられ、その周辺部が酸性となってセパレータ３６を劣化させてしまい、特性劣化が生じるという問題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、分極性電極層の表面での電気化学反応を抑制して特性劣化の少ない高性能の巻回形電気二重層コンデンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成すると共にリード線を接続した陽極電極と、この陽極電極と同様に形成された陰極電極とを、その間にセパレータを介在させて巻回することにより構成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を駆動用電解液と共に収容した有底筒状の金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した開口部材からなる巻回形電気二重層コンデンサにおいて、上記コンデンサ素子を構成する陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも一周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成にしたものである。

以上のように本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、コンデンサ素子の陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも一周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極を構成する集電体等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極層の電位を設定することが可能になり、また、陽極電極の表面に電解質アニオンであるＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-等が集中して酸性になることが無いためにセパレータの劣化が無く、これにより、電気化学反応によって生じるガス発生、抵抗増加や容量減少も無くなり、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを実現することができるという効果が得られるものである。

（実施の形態）
以下、実施の形態を用いて、本発明の特に全請求項に記載の発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態による巻回形電気二重層コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図であり、図１において、１はコンデンサ素子を示し、このコンデンサ素子１は陽極電極２と陰極電極３をその間にセパレータ４を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。

また、上記陽極電極２と陰極電極３は、後述する金属箔からなる集電体５の両面に分極性電極層６または７を夫々形成することにより構成されたものであり、さらに、陽極電極２と陰極電極３には陽極リード線８と陰極リード線９が夫々接続されており、この陽極リード線８と陰極リード線９の接続は、図２（ａ）、（ｂ）にその詳細を示すように、陽極電極２に形成された分極性電極層６（陰極電極３に形成された分極性電極層７も同じ）の一部を除去して集電体５を露出させ、この露出させた部分に陽極リード線８を冷間圧接、超音波溶接等で接続するようにしたものである。

さらに、上記陽極電極２に形成された分極性電極層６の巻き終わりから１周分を陰極電極３に形成された分極性電極層７が巻回するように構成している（図１においては、陰極電極３を陽極電極２よりもＬ１だけ長くすることにより、最外周面は陰極電極３に形成された分極性電極層７どうしがセパレータ４を介して対向することになる）ものである。

そして、このように構成されたコンデンサ素子１は、陽極リード線８と陰極リード線９を図示しないゴム製の封口部材に設けられた孔に挿通して封口部材を装着し、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に図示しない有底円筒状の金属ケース内に挿入すると共に上記封口部材を金属ケースの開口部に配設し、この金属ケースの開口部に横絞り加工とカーリング加工を施すことによって上記封口部材を介して封止を行っているものである。

また、上記陽極電極２と陰極電極３に夫々形成された分極性電極層６，７を構成する活性炭粉末としては、木粉系、ヤシガラ系、フェノール樹脂系、石油コークス系、石炭コークス系、ピッチ系の原料を賦活したものが用いられる。

また、駆動用電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートまたはメチルエチルカーボネートのいずれか１種もしくは２種以上の混合物が用いられる。また、電解質カチオンとしては、第四級アンモニウム、第四級ホスホニウム、イミダゾリウム塩が使用され、一方、電解質アニオンとしては、ＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、ＣｌＯ₄ ^-、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-またはＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ ^-が用いられる。

このように、コンデンサ素子１の陽極電極２に形成された分極性電極層６の巻き終わり部分から少なくとも１周分を陰極電極３に形成された分極性電極層７を巻回することにより、コンデンサ素子１の最外周面に、陰極電極３に形成された分極性電極層７どうしがセパレータ４を介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極２，３を構成する集電体５等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極６，７の電位を設定することが可能になり、これにより、電気化学反応が起きることによるガス発生、抵抗増加や容量減少もなくなるため、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを得ることができるようになるものである。

また、陽極電極２に接続された陽極リード線８の表面に分極性電極層６を形成した構成にすることにより、駆動用電解液の化学反応により電解質アニオンであるＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-等が集中して酸性になることがないため、セパレータ４の劣化を防ぐことができるようになるものである。

以下、具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
金属箔からなる集電体として、厚さ３０μｍの高純度アルミニウム箔（ＡＬ：９９．９９％以上）を使用し、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングしてアルミニウム箔の表面を粗面化した。

次に、このアルミニウム箔の両面に分極性電極層を形成した。この分極性電極層の形成は、平均粒径５μｍのフェノール樹脂系活性炭粉末と、導電性付与剤として平均粒径０．０５μｍのカーボンブラック、ＣＭＣを溶解した水溶性バインダー溶液を１０：２：１の重量比に混合して混練機で充分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製した。続いて、このペーストをアルミニウム箔の表面に塗布して、１００℃の大気中で１時間乾燥して分極性電極層を形成した。

次に、この分極性電極層が形成されたアルミニウム箔を、陽極電極として４０×４７５ｍｍ、陰極電極として４０×５３５ｍｍの寸法に切断することにより、陽極電極と陰極電極を夫々作製した。

次に、陽極電極ならびに陰極電極に陽極リード線と陰極リード線を夫々接続した。この各リード線の接続は、アルミニウム箔の表面に形成された分極性電極層の一部を取り除き、この取り除いた部分に各リード線を冷間圧接により接合した。

続いて、上記陽極電極と陰極電極の間に厚さ３５μｍのセパレータを介在させた状態でこれらを巻回する。このとき、陰極電極は陽極電極よりも６０ｎｍ長く設定しているために、陽極電極の巻き終わり部分（５６．５２ｍｍ）から少なくとも１周分を陰極電極を巻回することによって陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を有したコンデンサ素子（巻き径：φ１８ｍｍ）を得た。

次に、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させた。この駆動用電解液はプロピレンカーボネートに４エチルアンモニウム４フッ化ホウ素を溶解したものを用いた。

続いて、このコンデンサ素子を有底円筒状のアルミニウム製の金属ケース内に挿入し、この金属ケースの開口部をゴム製の封口部材を用いて封止することにより、本実施の形態による巻回形電気二重層コンデンサを作製した（コンデンサ寸法：φ２０×４５ｍｍ）。

（実施例２）
上記実施例１において、陽極電極ならびに陰極電極を図３に示すように配置し、陽極電極の幅Ｗ１（４０ｍｍ）に対して陰極電極の幅Ｗ２を４４ｍｍにした以外は実施例１と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。

（実施例３）
上記実施例１において、陽極電極に接続された陽極リード線の表面に分極性電極層を形成し、陽極リード線が露出しないようにした以外は実施例１と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。

（比較例１）
上記実施例１において、陰極電極の寸法を３０×４９５ｍｍ（陽極電極よりも２０ｍｍ長くなっているが、陽極電極と陰極電極の間にセパレータが介在するため、陽極電極と陰極電極の巻き終わりは略同じになる）にした以外は実施例１と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。

このようにして得られた本発明の実施例１〜３及び比較例１の巻回形電気二重層コンデンサについて、初期特性（容量、直流コンデンサ抵抗（以下、ＤＣＲと略す））と、８５℃で２．３Ｖ印加したときの特性劣化試験を行った結果を（表１）に示す。なお、試験数は２０個で行い、その平均値を記載した。また、上記ＤＣＲは充電した後に放電させ、その開始の０．５〜２．０ｓｅｃ間の傾きを算出したものである。

（表１）から明らかなように、本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、比較例１に比べて容量変化が少なく、特性劣化試験によるΔＣ、ΔＤＣＲ、製品ふくれを大幅に改
善することができることが分かるものである。

このように本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、コンデンサ素子の陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも１周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極を構成する集電体等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極層の電位を設定することが可能になり、また、陽極電極の表面に電解質アニオンであるＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-等が集中して酸性になることが無いためにセパレータの劣化が無く、これにより、電気化学反応によって生じるガス発生、抵抗増加や容量減少も無くなり、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを実現することができるという効果が得られるものである。

本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、分極性電極層の特性劣化が少なく信頼性に優れるという効果を有し、特に車載用の電子機器回路用等として有用である。

本発明の一実施の形態による巻回形電気二重層コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図（ａ）同コンデンサ素子を構成する陽極電極に陽極リード線を接続した状態を示した要部平面図、（ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ断面図同実施例２における陽極電極と陰極電極の幅寸法の関係を示した要部断面図（ａ）従来の巻回形電気二重層コンデンサの構成を示した分解斜視図、（ｂ）同コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図

符号の説明

１コンデンサ素子
２陽極電極
３陰極電極
４セパレータ
５集電体
６，７分極性電極層
８陽極リード線
９陰極リード線

Claims

金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成すると共にリード線を接続した陽極電極と、この陽極電極と同様に形成された陰極電極とを、その間にセパレータを介在させて巻回することにより構成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を駆動用電解液と共に収容した有底筒状の金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した開口部材からなる巻回形電気二重層コンデンサにおいて、上記コンデンサ素子を構成する陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも一周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた巻回形電気二重層コンデンサ。
コンデンサ素子を構成する陰極電極の分極性電極層の幅を陽極電極の分極性電極層の幅より広くした請求項１に記載の巻回形電気二重層コンデンサ。
分極性電極層の一部に集電体の露出部を設け、この集電体の露出部にリード線を接続した請求項１または２に記載の巻回形電気二重層コンデンサ。
少なくとも陽極電極に接続されたリード線の表面に分極性電極層を形成した請求項３に記載の巻回形電気二重層コンデンサ。