JP2009026853A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 微細ショートを防止することが可能であり、かつ低抵抗の巻回型の電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】 キャパシタ素子の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に、それぞれ曲げ加工した正極端子５および負極端子６を取り付け、正極電極体２、セパレータ４、負極電極体３、セパレータ４の順に積層し、正極電極体２が内側になるように巻回することで電気二重層キャパシタ素子１を形成し、形成された電気二重層キャパシタ素子１を有底円筒状の金属ケースである外装ケースに入れ、外装ケースの開口部をキャップで封口することで電気二重層キャパシタを作製する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関わり、特に巻回型の電気二重層キャパシタに関する。

電気二重層キャパシタは、分極性電極として、通常は活性炭を用い、活性炭と電解液との界面で形成される電気二重層に蓄積される電気二重層容量を利用したコンデンサである。この種の電気二重層キャパシタとして電極巻回型と称されるものがある。

電気二重層キャパシタは、電荷を有する固体とそれに接触する電解液の界面に形成される、厚さ数ｎｍ程度の電気二重層を、誘電体として利用したものである。電気二重層の容量は、１ｃｍ²あたり数十μＦであるが、表面積が数千ｍ²にも及ぶ活性炭を電極として用いることにより、数百〜数千Ｆの極めて大きな容量を得ることが可能である。

そして、電気二重層キャパシタは、充放電サイクルに伴う容量の劣化が少なく、一般的な電池に比較して、起動後に瞬時に大きな出力を取り出せるため、電池とコンデンサの中間のような特徴を有し、実用に供されるとともに、さらなる性能向上のための検討がなされている。

従来の電気二重層キャパシタで、小型のものとしては、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の分極性電極の間に、ポリプロピレンの不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップ等により金属容器に密封した構造をとっている。

また、この他に、比較的大容量の電気二重層キャパシタとして、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを積層して渦巻状に巻き回してキャパシタ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層キャパシタが製造されている。これが電極巻回型の電気二重層キャパシタである。

これらの電気二重層キャパシタを構成する分極性電極は、大表面積を有する活性炭を主とするものであり、巻回型のキャパシタでは活性炭粉末などをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などをバインダとして混練してシート状に形成したものが、また、コイン型では上記シート状活性炭もしくは活性炭繊維布が用いられている。

図４は、従来の電気二重層キャパシタ素子を巻回する様子を示す斜視図である。従来、この種の電気二重層キャパシタとしては、例えば、図４に示すような巻回型構造のものが挙げられる。図４に示したように、電気二重層キャパシタ素子１０１は、アルミニウムエッチング箔などからなる正極集電体および負極集電体（図示せず）に、活性炭粉末、導電材およびバインダを混練した電極材を塗布することで、正極電極体２および負極電極体３を形成し、その後、電極材を塗布していない集電体の露出面に、正極端子５、負極端子６を、それぞれカシメにより接続する。セパレータ４を挟んで正極集電体と負極集電体に塗布した正極端子５、負極端子６の層を対向させ、かつ、その一方の露出面にセパレータ４を配置して巻き回した構造となっている。

図５は、従来の電気二重層キャパシタ素子の斜視図である。正極電極体および負極電極体とセパレータ４を巻回したもので、電気二重層キャパシタ素子１０１の中心部に正極端子５、負極端子６が接続されている。また、巻回型の電気二重層キャパシタは、図５に示した電気二重層キャパシタ素子１０１に粘着テープを巻き付けて（図示せず）、形状を固定した上で電解液を含浸し、電気二重層キャパシタ素子１０１から引き出された正極端子５、負極端子６を、ゴムキャップに貫通させ、その後、前記ゴムキャップを金属ケースの開口部に組み込み、開口部にカーリング加工を施して封止した構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数の電極タブをコンデンサ素子端面の所望の位置より確実に引き出すことができる電気二重層キャパシタが開示されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、帯状の金属箔の両面側に分極性電極層を形成して正極および負極の電極体を得るとともに、正極および負極の電極体をセパレータを介して重ね合せるように巻回し、電極体の巻回の途中で、それぞれの金属箔に形成された分極性電極層を除去し、除去によって露出された金属箔にタブを取付けた後、電極体の巻回しを続行させることで、複数のタブを任意の位置に取付けるようにしている。

特開２００４−３１７４９号公報 特開２００１−２３７１５０号公報

しかしながら、図４、図５に示した従来の電気二重層キャパシタ素子１０１では、電気二重層キャパシタ素子１０１の中心部に近い位置に正極端子５、負極端子６を取り付けているため、電気二重層キャパシタ素子１０１を巻回する時の圧力が大きくなると、正極端子５とセパレータ４、負極端子６とセパレータ４の間に負荷が加わり、セパレータ４が破損し、微細ショートする恐れがあった。

また、特許文献２に記載の電気二重層キャパシタでは、金属箔にタブを取り付けた後、電極体の巻回しを続行させるため、キャパシタ素子を巻回する時の圧力が大きくなると、上記と同様に、タブとセパレータの接触部分でセパレータが破損し、微細ショートする恐れがあった。

このように、従来の電気二重層キャパシタ素子では、キャパシタ素子を巻回する時の圧力を大きくすると、セパレータが破損するため、製造が難しいという問題に加えて、特性面でも、キャパシタ素子を巻回する時の圧力を大きくすることができず、低抵抗化が図れないという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、セパレータの破損による微細ショートを防止することが可能であり、かつ低抵抗の巻回型の電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。

本発明は、集電体上に電極層を形成してなる正極電極体および負極電極体の間に、第１のセパレータを介在させ、前記正極電極体または前記負極電極体のいずれかの一方の外側の面に第２のセパレータを積層し、前記第２のセパレータが外側になるように巻回して構成する電気二重層キャパシタ素子と、前記電気二重層キャパシタ素子を収容する有底円筒型の金属からなる外装ケースとを備え、前記電気二重層キャパシタ素子を収容した外装ケースの開口部をキャップにより封口し、正極電極体および負極電極体に接続された端子を外部に取り出した構造を有する電気二重層キャパシタであって、前記端子を最外周部の正極電極体および負極電極体に取り付けたことを特徴とする電気二重層キャパシタである。

また、本発明は、前記端子に曲げ加工を行ったことを特徴とする電気二重層キャパシタである。

本発明は、セパレータの破損による微細ショートを防止することが可能であり、かつ低抵抗の巻回型の電気二重層キャパシタを提供することができる。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る電気二重層キャパシタの好適な実施の形態について詳細に説明する。尚、以下の説明および添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図１は、本実施の形態に係る電気二重層キャパシタ素子を巻回する様子を示す斜視図である。電気二重層キャパシタ素子１は、ポリウレタンやセルロース材等を用いたセパレータ４を挟んで正極集電体と負極集電体に塗布した正極端子５、負極端子６の電極材の層を対向させ、かつ、その一方の露出面にセパレータ４を配置して巻回してなる。

前記電気二重層キャパシタ素子１は、アルミニウムエッチング箔等の厚さ１０〜１００μｍ程度の正極集電体および負極集電体に、フェノール系等の活性炭粉末、カーボンブラック等の導電材をＰＴＦＥ等のバインダーと混練したものを塗布して電極材の層を作ることで、厚さ５０〜５００μｍ程度の正極電極体２および負極電極体３を形成し、その後、電極材を塗布していない電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３の集電体の露出面に、銅線材等を用いた正極端子５、負極端子６を接合させた、主にアルミにウム材のタブ９を、それぞれ機械接続する。

図２は、本実施の形態に係る電気二重層キャパシタ素子の斜視図である。図２に示すように、巻回された電気二重層キャパシタ素子１は、電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に、曲げ加工を行った正極端子５、負極端子６を備える。前記正極端子５および前記負極端子６の曲げ加工は、Ｌ字型を２回曲げたもの、Ｓ字型のもの等、各端子が所望の端子ピッチ幅に合わせるように曲げる型であればよい。

図３は、本実施の形態に係る電気二重層キャパシタの一部切り欠き斜視図である。図３に示すように、電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に、曲げ加工を行った正極端子５および負極端子６を取り付けた電気二重層キャパシタ素子１に電解液を含浸させ、有底円筒状の金属ケースである外装ケース８に入れ、外装ケース８の開口部をキャップ７で密閉することで電気二重層キャパシタ１０を作製する。

実施例として、図３に示したように、本実施の形態の電気二重層キャパシタ素子１は、アルミニウムエッチング箔からなる厚さ３０μｍ、幅２０ｍｍの正極集電体および負極集電体（図示せず）に、比表面積２０００ｃｍ²／ｃｍ³のフェノール系活性炭粉末、導電材およびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を混合して得られたスラリーを塗布したペーストを混練した電極材を塗布することで電極材の層として、厚さ１００μｍの正極電極体２および負極電極体３（図示せず）を形成し、その後、電極材を塗布していない電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３（図示せず）の集電体の露出面に、銅覆鋼線（ＣＰ線）材を用いた正極端子５、負極端子６を接合させたアルミにウム材の厚さ０．４ｍｍのタブ９を、それぞれプレス法で、針カシメにより機械接続した。セルロース材を用いた厚さ５０μｍのセパレータ４を挟んで正極集電体と負極集電体に塗布した正極端子５、負極端子６の電極材の層を対向させ、かつ、その一方の露出面にセパレータ４を配置して巻回した構造とした。この場合、正極集電体、負極集電体の巻回した長さは０．２ｍである。

前記電気二重層キャパシタ素子１を、アルミニウムでできた有底円筒状の外装ケース８に入れ、前記外装ケース８の開口部をブチルゴムにベーク板を貼り合わせてできたキャップ７で封口することで作製した電気二重層キャパシタ１０の電気特性（等価直列抵抗値と内部抵抗値）を測定した。

図５に示すように、比較例として、正極端子５、負極端子６の位置を中央部に取り付けた以外は実施例とほぼ同様な電気二重層キャパシタを作製した。実施例と同様に、粒状活性炭粉末とＰＴＦＥを混合して得られたスラリーのペーストを塗布してできた正極電極体２および負極電極体３（図示せず）の中心部に近い位置に、それぞれ正極端子５、負極端子６を取り付けた従来の電気二重層キャパシタ素子１０１を作製し、実施例の電気二重層キャパシタ１０と同様に、前記電気二重層キャパシタ素子１０１をポリイミド製の粘着テープにより巻き付け固定し、また、固定された前記電気二重層キャパシタ素子１０１に、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを０．８ｍｏｌ／Ｌの濃度でプロピレンカーボネートに溶解した溶液の電解液を含浸させ、前記有底円筒型の外装ケース８（図示せず）に収容し、開口部を前記キャップ７（図示せず）によりカーリング加工により封口することで電気二重層キャパシタ（図示せず）を作製し、前記電気特性を各１００個ずつ測定した。

これらを比較した電気二重層キャパシタの電気特性平均値の結果を表１に示す。尚、実施例としての電気二重層キャパシタ素子１を巻回する時の圧力は、１０ｇ／ｍｍ³で行った。比較例としての電気二重層キャパシタ素子１０１を巻回する時の圧力は、８ｇ／ｍｍ³で行った。比較例の場合は、実施例と同じ１０ｇ／ｍｍ³の圧力での試作を行ったが、目視にてもセパレータの破損が認められた。そのため、前記電気二重層キャパシタ素子１の巻回する時の圧力は、前記電気二重層キャパシタ素子１０１を巻回する時の圧力よりも大きくして作製した。このように、本発明の実施例によれば、巻回する時の圧力を比較例より大きくしても、巻回する時に、タブとセパレータの接触部分でセパレータが破損することなく、微細ショートを防ぐことができる。従って、実際に製品化する際の電気二重層キャパシタ素子の正電極体および負電極体を巻回す際においても、本発明の実施例と同様に、正極端子および負極端子に接続されている各タブが、電気二重層キャパシタ素子の外側に設けることで、巻回する時の圧力を大きくできる。

表１に示すように、実施例の電気二重層キャパシタ１０は、電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に、正極端子５および負極端子６を取り付けることにより、比較例の電気二重層キャパシタと比較して、等価直列抵抗および内部抵抗が低く保たれることが分かる。

以上説明したように、本発明の電気二重層キャパシタ１０は、キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に、それぞれ曲げ加工した正極端子５および負極端子６を取り付け、正極電極体２、セパレータ４、負極電極体３、セパレータ４の順に積層し、正極電極体２が内側になるように巻回することで電気二重層キャパシタ素子１を形成し、形成された電気二重層キャパシタ素子１に電解液を含浸させ、有底円筒状の金属ケースである外装ケース８に入れ、外装ケース８の開口部をキャップ７で密閉することで作製する。

また、本発明の電気二重層キャパシタを製作する場合は、電気二重層キャパシタ素子１の最外周部の正極電極体２および負極電極体３に端子を取り付ければよく、従来のように、セパレータが破損することなく、電気二重層キャパシタ素子を巻回する時の圧力を大きくすることができ、ひいては、低抵抗化が可能となる。また、正極端子および負極端子に曲げ加工を行うため、所望の端子ピッチに合わせることも可能となる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る電気二重層キャパシタの好適な実施の形態について説明したが、本発明は、係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本実施の形態に係る電気二重層キャパシタ素子を巻回する様子を示す斜視図。 本実施の形態に係る電気二重層キャパシタ素子の斜視図。 本実施の形態に係る電気二重層キャパシタの一部切り欠き斜視図。 従来の電気二重層キャパシタ素子を巻回する様子を示す斜視図。 従来の電気二重層キャパシタ素子の斜視図。

符号の説明

１，１０１ 電気二重層キャパシタ素子
２ 正極電極体
３ 負極電極体
４ セパレータ
５ 正極端子
６ 負極端子
７ キャップ
８ 外装ケース
９ タブ
１０ 電気二重層キャパシタ

Claims (2)

1. 集電体上に電極層を形成してなる正極電極体および負極電極体の間に、第１のセパレータを介在させ、前記正極電極体または前記負極電極体のいずれかの一方の外側の面に第２のセパレータを積層し、前記第２のセパレータが外側になるように巻回して構成する電気二重層キャパシタ素子と、前記電気二重層キャパシタ素子を収容する有底円筒型の金属からなる外装ケースとを備え、前記電気二重層キャパシタ素子を収容した外装ケースの開口部をキャップにより封口し、正極電極体および負極電極体に接続された端子を外部に取り出した構造を有する電気二重層キャパシタであって、前記端子を最外周部の正極電極体および負極電極体に取り付けたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 前記端子に曲げ加工を行ったことを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタ。

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