JP4297761B2 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関し、特に、表面実装が可能な電気二重層キャパシタに関する。

従来、携帯電話や家庭用電気製品のバックアップ電源および補助電源として電気二重層キャパシタが用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。ここで、電気二重層キャパシタは、小型で大容量という特徴を有している。また、電気二重層キャパシタは、リフローハンダ付けにより各種電子機器のプリント基板に表面実装される。

図１０は、従来の電気二重層キャパシタの構造を説明するための断面図である。図１０を参照して、従来の電気二重層キャパシタの構造について説明する。

従来の電気二重層キャパシタ２００では、図１０に示すように、凹状の容器本体１０１ａと蓋１０１ｂとからなる密閉された容器１０１の内部に、電極１０２ａおよび１０２ｂの間にセパレータ１０２ｃを挟み込んだ電気二重層キャパシタ素子１０２が配置されている。凹状の容器本体１０１ａの内部底面には、電極１０２ａと接触するように集電体１０３が配置されている。また、蓋１０１ｂの下面には、電極１０２ｂと接触するように集電体１０４が配置されている。また、集電体１０３は、凹状の容器本体１０１ａの側面を貫通するとともに容器本体１０１ａの下面に至る接続端子１０８に接続されている。また、集電体１０４は、蓋１０１ｂと凹状の容器本体１０１ａとの間に位置するとともに、凹状の容器本体１０１ａの側面から下面に至る接続端子１０９に接続されている。凹状の容器本体１０１ａの内部には、電極１０２ａおよび１０２ｂが十分に浸るように、電極１０２ａおよび１０２ｂと略同じ体積の電解液（図示せず）が注液されている。これにより、従来の電気二重層キャパシタ２００が構成されている。

さらに、図１０に示すように、従来の電気二重層キャパシタ２００は、ハンダ付けによって、プリント基板などの基板１１０の上面に実装される。これにより、従来の電気二重層キャパシタ２００は、基板１１０上の配線や他の電子部品（ともに図示せず）などに電気的に接続されている。
特開２００１−２１６９５２号公報 特開平１１−５４３８７号公報

しかしながら、従来の電気二重層キャパシタ２００では、基板１１０へのハンダ付けの際の熱によって、容器１０１内に充填されている電解液の分解および蒸発が発生する場合がある。また、従来の電気二重層キャパシタ２００では、充放電サイクルに伴う電解液の分解により、ガスが発生する場合がある。これらの場合、発生したガスによって、電極１０２ａおよび１０２ｂの内部に電解液の存在しない領域が発生するという不都合があった。このため、電極１０２ａおよび１０２ｂの内部抵抗の増大や電気二重層キャパシタの出力電圧の不安定を招き、その結果、サイクル特性が低下するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、サイクル特性を向上させることが可能な電気二重層キャパシタを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による電気二重層キャパシタは、絶縁性材料からなる容器と、容器内にセパレータを介して対向するように設けられた第１電極および第２電極を有し、第１電極は容器の内面底部側に配置され、第２電極は前記容器の内面上部側に配置された電気二重層キャパシタ素子と、容器内に充填された電解液と、容器の内面底部と第１電極との間に配置された第１集電体と、容器の内面上部と第２電極との間に配置された第２集電体とを備え、内面上部および内面底部の少なくとも一方に凹部を含み、凹部のない箇所に第１集電体および第２集電体が形成されている。

この一の局面による電気二重層キャパシタでは、上記のように、容器の内面上部および内面底部の少なくとも一方に凹部を含むように構成することによって、容器の内部でガスが発生した場合に、容器内部に電気二重層キャパシタ素子、電極および集電体以外のガスの溜まる空間であるデッドスペースを十分に確保することができる。これにより、発生したガスが電極内にとどまるのを抑制することができるので、電極の内部抵抗の増大や電気二重層キャパシタの出力電圧の不安定化を抑制することができる。その結果、電気二重層キャパシタのサイクル特性を向上させることができる。

上記一の局面による電気二重層キャパシタにおいて、好ましくは、容器の内面上部および内面底部の少なくとも一方に凹部を含む。このように構成すれば、容易に、電極および集電体以外のガスの溜まる空間であるデッドスペースを十分に確保することができる。

上記一の局面による電気二重層キャパシタにおいて、好ましくは、凹部は溝状であるとともに、２つ以上の溝状の凹部が少なくとも１点で交差している。このように溝状の凹部を形成すれば、より大きな容器内部のガスの溜まる空間としてのデッドスペースを形成することができる。これにより、容易に、発生したガスが電極内にとどまるのを抑制することができる。

上記一の局面による電気二重層キャパシタにおいて、凹部のない箇所に第１集電体および第２集電体が形成されている。このように構成すれば、第１電極および第２電極内部で発生したガスを、第１集電体および第２集電体を介して、速やかに容器内面の凹部に逃がすことができる。これにより、各電極内部にガスが滞留することがないので、電極内部における電解液の存在しない領域が発生することを抑制することができる。その結果、電極の内部抵抗が増加するのを抑制することができる。また、電極と集電体との間にガスが滞留しないので、電極と集電体とを密着させることができる。これにより、容易に、電極表面から均一に集電することができる。これらの結果、電気二重層キャパシタの出力電圧を安定化させることができるので、サイクル特性を向上させることができる。

上記一の局面による電気二重層キャパシタにおいて、好ましくは、絶縁性材料は、樹脂およびセラミックスのいずれか一方である。このように構成すれば、容易に、容器内面に凹部を形成することができる。

なお、発生したガスが電極内にとどまるのを抑制する目的に対しては、上述した容器内部のガスの溜まる空間としてのデッドスペースは大きい方が効果が高いが、容器自身の大きさも大きくなるので、ガスの溜まる空間としてのデッドスペースは、容器の内容積に対して約１５％〜約５０％が好ましい。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタを示した断面図である。また、図２は、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタの凹状の容器本体の上面図である。さらに、図３は、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタの蓋の下面図である。図１〜図３を参照して、以下に、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタの構造について説明する。

まず、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタ１００では、図１に示すように、液晶ポリマー製樹脂からなる外形５ｍｍ角×１．５ｍｍ高の形状の容器１の内部に、２０００ｍ^２／ｇの比表面積を有する活性炭粉末と５ｗｔ％のアセチレンブラックおよび５ｗｔ％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とからなる３．７ｍｍ角×０．５ｍｍ厚の電極２ａおよび２ｂの間にセルロースからなるセパレータ２ｃを挟み込んだ電気二重層キャパシタ素子２を配置した。ここで、容器１は、４．５ｍｍ角×1ｍｍ深さの内部形状を有する凹状の容器本体１ａと、４．５ｍｍ角×０．２５ｍｍ厚の形状を有する蓋１ｂとを超音波溶着により密閉することにより作製した。ここで、液晶ポリマー製樹脂は、本発明の「絶縁性材料」の一例である。なお、電極２ａおよび２ｂは、それぞれ、本発明の「第１電極」および「第２電極」の一例である。

また、凹状の容器本体１ａの内部底面に、電極２ａと接触するように、１μｍ〜６μｍの厚みを有するＡｕメッキからなる集電体３を配置した。また、蓋１ｂの下面には、電極２ｂと接触するように約１μｍ〜約６μｍの厚みを有するＡｕメッキからなる集電体４を配置した。なお、集電体３および４は、それぞれ、本発明の「第１集電体」および「第２集電体」の一例である。

また、図２を参照して、凹状の容器本体１ａの内部底面に、３．２ｍｍ長×０．３５ｍｍ幅×０．２ｍｍ深さを有する溝状の凹部５を形成した。実施例１では、溝状の凹部５は、略等間隔に８本配置されるように形成した。また、図３を参照して、蓋１ｂの下面にも、同様に、３．２ｍｍ長×０．３５ｍｍ幅×０．２ｍｍ深さを有する溝状の凹部６を形成した。実施例１では、溝状の凹部６は、略等間隔に８本配置されるように形成した。

また、集電体３は、凹状の容器本体１ａの側面を貫通するとともに凹状の容器本体１ａの下面に至る１μｍ〜６μｍの厚みを有するＡｕメッキからなる接続端子８に接続するように形成した。また、集電体４は、蓋１ｂと凹状の容器本体１ａとの間に位置するとともに凹状の容器本体１ａの側面から下面に至る１μｍ〜６μｍの厚みを有するＡｕメッキからなる接続端子９に接続するように形成した。凹状の容器本体１ａの内部には、電極２ａおよび２ｂが十分に浸るように電極２ａおよび２ｂと略同じ体積の電解液（図示せず）を注液した。ここで、電解液は、プロピレンカーボネートを溶媒とし、溶質として（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４を１ｍｏｌ／ｌの濃度で溶解させたものを用いた。これにより、本発明の実施例１による電気二重層キャパシタ１００を作製した。実施例１では、容器１の内部には、電気二重層キャパシタ素子２や集電体３および４などのない空間と、凹状の容器本体１ａの内部底面および蓋１ｂの下面に形成されている溝状の凹部５および６の空間とによるデッドスペースが形成されている。実施例１では、容器１の内容積に対するデッドスペース（ガスの溜まる空間）の比率は、約２８％であった。
（実施例２）
この実施例２では、上記実施例１において、電極２ａおよび２ｂの形状を３．５ｍｍ角×０．５ｍｍ厚とすること以外は、実施例１と同様の構造を有する電気二重層キャパシタを作製した。実施例３では、容器１の内容積に対するデッドスペース（ガスの溜まる空間）の比率は、約３８％であった。
（参考例）
参考例として、上記実施例２において、凹状の容器本体１ａの内部底面および蓋１ｂの下面に溝状の凹部がないこと以外は、実施例２と同様の構造を有する電気二重層キャパシタを作製した。本参考例では、容器１の内容積に対するデッドスペース（ガスの溜まる空間）の比率は、約１５％であった。
（比較例）
比較例として、上記実施例１において、凹状の容器本体１ａの内部底面および蓋１ｂの下面に溝状の凹部がないこと以外は、実施例１と同様の構造を有する電気二重層キャパシタを作製した。本比較例では、容器１の内容積に対するデッドスペース（ガスの溜まる空間）の比率は、約６％であった。

実施例１、２、参考例および比較例において作製した電気二重層キャパシタを下記条件にて充放電サイクルを５００回行った。この時、放電容量が初期の容量の９０％を下回ったときのサイクル数をサイクル特性として評価した。結果を表１に示す。

充放電サイクル条件：２．７Ｖにて１時間定電圧充電後、０．１ｍＡにて０Ｖまで定電流放電を行う充放電サイクルを５００回繰り返した。

上記表１を参照して、放電容量が初期の容量の９０％を下回ったときのサイクル数をサイクル特性として示す。数値が５００となっているものは、５００サイクル後においても初期の９０％を下回らなかったことを意味する。

上記表１に示すように、比較例に比べて、実施例１および２の電気二重層キャパシタはサイクル特性が向上していることがわかる。また、容器内容積に対するデッドスペースの比率が大きいほど、サイクル特性が向上することが判明した。また、容器内部に溝状の凹部がない約１５％のデッドスペースを有する参考例では、比較例に比べてサイクル特性が向上することも判明した。このことから、サイクル特性を向上させるには約１５％以上のデッドスペース（ガスのたまる空間）を有していることが有効であるといえる。

また、実施例１および２では、溝状の凹部５および６は、凹状の容器本体１ａの内部底面および蓋１ｂの下面に形成されているとともに、凹部のない箇所に集電体３および４が形成されている。これにより、集電体３および４では、ガスを透過する構造となっているので、電気二重層キャパシタを充放電させた場合に電極２ａおよび２ｂの内部で発生するガスを速やかに容器内面の凹部５および６に逃がすことができる。その結果、各電極内部にガスが滞留することがないので、電極２ａおよび２ｂの内部における電解液の存在しない領域が発生することを抑制することができる。その結果、電極２ａおよび２ｂの内部抵抗が増加するのを抑制することができる。また、電極２ａおよび２ｂと集電体３および４との間にガスが滞留しないので、電極２ａおよび２ｂと集電体３および４とを密着させることができる。これにより、容易に、各電極の表面から均一に集電することができる。これらの結果、本実施例では、電気二重層キャパシタの出力電圧を安定化させることができるので、サイクル特性を向上させることができる。

また、上記実施例１および２では、容器１は、略直方体の角型形状を有している。これにより、複数の電気二重層キャパシタをプリント基板などの基板１０上に実装した場合に、高密度に実装することができるので、実装面積を小さくすることができる。
（実施例３および４）
図４および図５は、本発明の実施例３および実施例４による電気二重層キャパシタの蓋の下面図である。図４に示すように、実施例３により作製された電気二重層キャパシタでは、２本の溝状の凹部６ｂが、互いの中心付近で交差するＸ字形状に形成されている。また、図５に示すように、実施例４により作製された電気二重層キャパシタでは、３本の溝状の凹部６ｃが、１本の溝状の凹部の中心付近で交差するＫ字形状に形成されている。上述の実施例の場合では、溝状の凹部６ｂまたは６ｃが交差することにより、電極の一部でガスが発生していたとしても、凹部６ｂおよび６ｃの全体の容積がガスの溜まる空間として利用することができるので、サイクル特性の向上効果が大きい。
（実施例５〜８）
図６〜図９は、本発明の実施例５〜実施例８による電気二重層キャパシタを示した断面図である。図６〜図９を参照して、本発明の実施例５〜８による電気二重層キャパシタの構造を説明する。

図６に示すように、実施例５では、蓋１ｂの下面にのみ溝状の凹部６が形成されていること以外は、実施例１と同様の構造を有する電気二重層キャパシタを作製した。また、図７に示すように、実施例６では、凹状の容器本体１ａの内部の側面の全てに溝状の凹部７を形成した。また、図８に示すように、実施例７による電気二重層キャパシタでは、凹状の容器本体１ａの内部の一側面にのみ溝状の凹部７を形成した。これにより、実施例５〜７では、容器１の内部の一部にのみ凹部を設けた場合にも、デッドスペース確保によるサイクル特性の向上効果を得ることができる。

また、図９に示すように、実施例８による電気二重層キャパシタでは、凹状の容器本体１ａの内部底面及び全ての側面と蓋１ｂの下面に溝状の凹部５〜７を形成した。これにより、容器１の外形を大きくすることなく、容器１内部のデッドスペース（ガスの溜まる空間）を十分確保することができるので、大きなサイクル特性の向上効果を得ることができる。

なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記各実施例では、容器１は、液晶ポリマー製樹脂により形成したが、本発明はこれに限らず、セラミックスなどの他の絶縁性材料で形成してもよい。

また、上記実施例では、容器１は、略直方体の角型形状を有していたが、本発明はこれに限らず、円筒形、コイン型などの他の形状であってもよい。

また、上記実施例では、集電体３および４は、Ａｕメッキで形成されていたが、本発明はこれに限らず、他の材料をメッキしてもよく、また、パンチングメタルや網状の金属シートなどのように気体が透過する構造の集電体であってもよい。

また、上記実施例では、凹部５〜７は、矩形状の断面形状の溝を形成したが、本発明はこれに限らず、三角形状、円状などの断面形状を有していてもよい。また、このような凹部は、溝状に連続していなくてもよく、複数のスポット状の凹部が所定の間隔を隔てて、線状に、または、ランダムに配列していてもよい。

本発明の実施例１による電気二重層キャパシタを示した断面図である。 本発明の実施例１による電気二重層キャパシタの凹状の容器本体の上面図である。 本発明の実施例１による電気二重層キャパシタの蓋の下面図である。 本発明の実施例３による電気二重層キャパシタの蓋の上面図である。 本発明の実施例４による電気二重層キャパシタの蓋の上面図である。 本発明の実施例５による電気二重層キャパシタを示した断面図である。 本発明の実施例６による電気二重層キャパシタを示した断面図である。 本発明の実施例７による電気二重層キャパシタを示した断面図である。 本発明の実施例８による電気二重層キャパシタを示した断面図である。 従来の電気二重層キャパシタの構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 容器
１ａ 容器本体
１ｂ 蓋
２ 電気二重層キャパシタ素子
３、４ 集電体
５、６、６ｂ、６ｃ、７ 凹部
８、９ 接続端子
１００ 電気二重層キャパシタ

Claims (4)

1. 絶縁性材料からなる容器と、
   前記容器内にセパレータを介して対向するように設けられた第１電極および第２電極を有し、前記第１電極は前記容器の内面底部側に配置され、前記第２電極は前記容器の内面上部側に配置された電気二重層キャパシタ素子と、
   前記容器内に充填された電解液と、
   前記容器の内面底部と前記第１電極との間に配置された第１集電体と、前記容器の内面上部と前記第２電極との間に配置された第２集電体とを備え、
   前記内面上部および前記内面底部の少なくとも一方に凹部を含み、前記凹部のない箇所に前記第１集電体および前記第２集電体が形成されている、電気二重層キャパシタ。
2. 前記凹部は溝状であるとともに、２つ以上の前記溝状の凹部が少なくとも１点で交差している、請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
3. 前記容器の内容積に対する前記凹部の空間によるデッドスペースの比率が、１５％以上である、請求項１または２のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 前記絶縁性材料は、樹脂およびセラミックスのいずれか一方である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタ。
   

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