JP5098859B2

JP5098859B2 - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP5098859B2
Application number: JP2008177735A
Authority: JP
Inventors: 政重芦崎; 成生新保; 靖幸伊藤; 誠介佐藤; 之康杉原; 武紀井澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: JP2010021183A

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、携帯機器等に使用される電気二重層キャパシタに関するものである。

電気二重層キャパシタは、分極性電極と駆動用電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するものであり、このような電気二重層キャパシタは、小型化が図れ、かつ、大容量の充電が可能なキャパシタとして、マイコン、メモリ、タイマーのバックアップ用、各種電源のアシスト用等に広く用いられているものである。

図６はこの種の従来の電気二重層キャパシタの構成を示した断面図であり、図６において、２１は両面に分極性電極２３が設けられた正極側の集電体、２５はポリエチレンの多孔質膜からなる袋状のセパレータであり、このセパレータ２５の中に上記集電体２１が挿入され、セパレータ２５の開口部は集電体２１の上方露出部の表面に熱溶着されている。

２２は両面に分極性電極２４が設けられた負極側の集電体、２６はポリエチレンの多孔質膜からなる袋状のセパレータであり、このセパレータ２６の中に上記集電体２２が挿入され、セパレータ２６の開口部は集電体２２の上方露出部の表面に熱溶着されており、上記集電体２１、２２を、セパレータ２５、２６から露出している部分が夫々上下逆方向となるようにして交互に積層することにより、積層体を形成しているものである。

２７は上記積層体の上方に突出した集電体２１の端部とスポット溶接により接続されたアルミニウム製の第１の導体、２８は同じく積層体の下方に突出した集電体２２の端部とスポット溶接により接続されたアルミニウム製の第２の導体である。

２９はポリプロピレン製の箱形の容器２９ａと蓋２９ｂからなる角形の外装部材であり、上記容器２９ａ内には上記積層体が駆動用電解液と共に収容されており、上記第１の導体２７と第２の導体２８が貫通する貫通孔を有する蓋２９ｂによって封止されているものである。

このように構成された従来の電気二重層キャパシタは、複数のセルを並列接続することによって大容量のキャパシタを構成することができるため、角形で体積効率に優れ、かつ、各接続部における電気抵抗も小さいものが実現できるというものであった。

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が知られている。
特開平７−９４３７４号公報

しかしながら上記従来の電気二重層キャパシタでは、体積効率に優れ、電気抵抗も小さいという特徴を有するものの、構造が複雑なために組み立て作業が難しく、高い寸法精度を実現することが困難であり、結果的に高いコストのものになってしまい、低価格化が実現できないという課題があった。

また、使用機器側からの要求により、更なる低抵抗化と低背化が求められているという課題もあった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、更なる低抵抗化と低背化を図ることが可能な電気二重層キャパシタ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、一部に分極性電極層を形成した陽極電極と陰極電極と、この陽極電極と陰極電極の間にセパレータを介在させて複数層積層した素子と、この素子の積層方向と平行となる端面に対向して夫々露呈した上記陽極電極と上記陰極電極上に、少なくとも一部が接合された陽極端子と陰極端子と、
この陽極端子と陰極端子の少なくとも一部が表出した状態で、上記素子を封止した外装樹脂と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、上記陽極電極と陰極電極の上記分極性電極層は、上記セパレータを介して前記積層方向に重なりあうように設けられ、上記素子は、最上面と最下面に上記分極電極層が形成されていない上記陰極電極が配設され、上記陰極端子は、外方に突出する接続部を設けたコ字形に形成され、上記コ字形の内面は、上記素子の上記端面に露呈した上記陰極電極に接合され、かつ積層した上記分極性電極を挟持するように、上記素子の最上段と最下段の上記陰極電極に接合した構成にしたものである。

以上のように本発明による電気二重層キャパシタは、陽極電極と陰極電極をセパレータを介して複数層積層した素子の対向する端面に露呈した各電極上に陽極端子と陰極端子を夫々接合した構成により、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、低抵抗化と低背化を図ることができるようになるという効果が得られるものである。

更に、素子の最上段ならびに最下段に陰極電極を配設した構成により、陽極電極の面積よりも陰極電極の面積が大きくなるために、陽極電極の局所部で発生する腐食反応を抑制して安定した性能を発揮することができるようになるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜５、７に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの構成を示した断面図、図２は同電気二重層キャパシタを構成する素子の構成を示した斜視図、図３は同電気二重層キャパシタに使用される陰極端子の構成を示した斜視図である。なお、図１に示す電気二重層キャパシタの素子と図２に示す素子は同一のものであるが、図２においては素子の構成をより分かり易くするために、積層枚数を少なくして記載しているものである。

図１〜図３において、１は素子を示し、この素子１はアルミニウム箔からなる集電体上に分極性電極層を形成した陽極電極２Ａと、同様に形成された陰極電極３Ａとを、その間に多孔質フィルム（本実施の形態においては耐熱性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）フィルムを用いた）からなるセパレータ４を介在させて積層することにより、陽極電極２Ａと陰極電極３Ａが夫々対向する端面に露呈すると共に、最上段と最下段に陰極電極３Ｂが配設されるように形成されたものである。

また、上記素子１の製造方法としては、まず長尺のセパレータ４を交互に折り返すことにより積層状（一般に、つづら折りとも呼ばれている）に折り曲げ、このセパレータ４の各層間に両面に分極性電極層２ａを形成したシート状の陽極電極２Ａと、同じく両面に分極性電極層３ａを形成したシート状の陰極電極３Ａを交互に配設すると共に、片面に分極性電極層３ａを形成した陰極電極３Ｂを上記セパレータ４の最上段と最下段に夫々分極性電極層３ａがセパレータ４と当接するようにして配設することにより作製されるものであり、このように構成される素子１は簡単な構成によって作業性が向上するばかりでなく、折り曲げられたセパレータ４の各層間に陽極電極２Ａと陰極電極３Ａを交互に挿入するだけで高い寸法精度を確保することができるようになるものである。

また、上記陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂに夫々形成された分極性電極層２ａ、３ａは、活性炭粉末とカーボンブラックとバインダとを混練したものにより構成され、上記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、バインダとしては、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の水溶性バインダを混合したものが用いられるものである。

なお、このように構成された素子１は、上下方向（積層方向）にプレス加工されることによって極めて薄い厚みに加工されるものであるが、本実施の形態においては、構成を分かり易くして説明するために、プレス加工なしの状態のままで図示している。

５と６は上記素子１の対向する端面に夫々露呈した陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂ上に形成された陽極集電電極と陰極集電電極であり、この陽極集電電極５ならびに陰極集電電極６は、コールドスプレーと呼ばれる高速粒子衝突を利用した重厚皮膜形成により形成された非弁作用金属層からなるものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、導電性銀ペースト等の導電性材料を塗布することにより形成しても良いものである。

なお、このような陽極集電電極５、陰極集電電極６を形成する際に、上記セパレータ４の材料として多孔質フィルムを用いることにより、この多孔質フィルムからなるセパレータ４の折り曲げ部分は目詰まりを起こしたような状態になり、電極を形成するための材料がセパレータ４を透過して素子１の内部にまで侵入してしまうことを阻止することができるようになるため、短絡を防止して精度の良い電極形成を行うことができるものである。

更に、素子１の対向する端面に露呈した陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂを夫々一体に接続するように陽極集電電極５、陰極集電電極６を形成した構成により、抵抗を大きく低減することができると共に、低背化も実現できるものである。

また、上記コールドスプレーは、例えば、財団法人機械システム振興協会が平成１７年３月に発行した、システム技術開発調査研究１６−Ｒ−１７「高速粒子衝突を利用した革新部材創製に関する調査研究報告書−要旨−」の、３．調査研究成果の要約、第１章高速粒子衝突技術、（３）高速粒子衝突を利用した重厚皮膜形成、直接造形技術の欄に紹介されている技術であり、金属粒子を超高速で加速して基材に衝突させることにより、金属粒子が衝突時の塑性変形のエネルギーで溶融し、これにより金属粒子を基材に付着させるようにするものであり、強固な付着強度が得られるものである。

また、上記コールドスプレーは、陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂを構成する材料であるアルミニウムと腐食電位が近い材料である亜鉛や真鍮を用いるのが好ましいことから、本実施の形態においては亜鉛を用いた構成にしたものであり、亜鉛の粒子が陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂの一部に喰い込んだ状態になっているものである。

また、上記コールドスプレーは、陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂが弁作用金属であるアルミニウムにより構成されているため、このアルミニウムと金属間結合するものでないとアルミニウムの表面に誘電体酸化皮膜層が形成されて絶縁化してしまうので、これを防止するためには非弁作用金属を用い、この非弁作用金属に置換することが必要なものであり、上記亜鉛に限定されるものではない。

７は上記陽極集電電極５に接合された陽極端子であり、この陽極端子７はアルミニウム板等の導電性材料をＬ字形に折り曲げることによって一端に接続部７ａを設けて形成されたものであり、この接続部７ａを除く部分が陽極集電電極５に接合されるようにしたものである。

８は上記陰極集電電極６に接合された陰極端子であり、この陰極端子８はアルミニウム板等の導電性材料をコ字形に折り曲げると共に、下辺の一部に外方に突出する舌片状の接続部８ａを設けて形成されたものであり、この接続部８ａを除く陰極端子８の内面が、陰極集電電極６と素子１の最上段と最下段に配設された各陰極電極３Ｂに夫々接合されるようにしたものである。なお、上記接続部８ａは、コ字形に形成された陰極端子８の中央の辺の一部を打ち抜き加工し、この部分を用いて形成するようにしたものであるため、材料歩留まりにおいてもロスが発生することがないようにしたものである。

このようにＬ字形に形成された陽極端子７とコ字形に形成された陰極端子８を素子１に夫々接合することにより、プレス加工により圧縮された素子１が元に戻るように反力が作用した場合や、膨れ現象が発生した場合等に、素子１は陰極端子８により挟持されると共に陽極端子７が陽極集電電極５に接合されているために膨れることはなく、安定した性能を発揮することができるものである。

９は上記素子１に図示しない駆動用電解液を含浸し、上記陽極端子７と陰極端子８の一部に設けた接続部７ａ、８ａが夫々表出した状態で上記素子１を封止した絶縁性の内装フィルムであり、この状態で１つのセルとして機能するものであり、以下、これをセルと呼ぶ。また、内装フィルム９としては、耐熱性に優れたエポキシフィルム等が適しているものであるが、封止性と耐熱性を満足できるものであれば、上記材料に限定されるものではない。

また、上記駆動用電解液としては、溶媒として、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種以上の混合物を使用することができる。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でき、電解質アニオンとしては、ＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、ＣｌＯ₄ ^-、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-またはＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ ^-を使用することができるものである。

１０は上記陽極端子７と陰極端子８を接合し、かつ、駆動用電解液が含浸された素子１を内装フィルム９で封止したセルを、上記陽極端子７と陰極端子８に設けた接続部７ａ、８ａが夫々表出した状態で被覆した絶縁性の外装樹脂であり、この外装樹脂１０としては、耐熱性に優れたエポキシ樹脂等が適しているものであるが、封止性と耐熱性を満足できるものであれば、上記材料に限定されるものではない。

このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタは、陽極電極２Ａと陰極電極３Ａ、３Ｂをセパレータ４を介して積層した素子１の対向する端面に露呈した各電極上に陽極集電電極５と陰極集電電極６を夫々形成し、この陽極集電電極５と陰極集電電極６に陽極端子７と陰極端子８を夫々接合し、これを内装フィルム９で封止し、更に外装樹脂１０で被覆した構成により、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、低抵抗化と低背化を図ることができるようになるという格別の効果を奏するものである。

また、コ字形に形成した陰極端子８により素子１を挟持するようにした構成により、素子１の膨れを防止して安定した性能を発揮することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

また、素子１の最上段ならびに最下段に陰極電極３Ｂを配設した構成により、陽極電極の面積よりも陰極電極の面積が大きくなるために、陽極電極の局所部で発生する腐食反応を抑制して安定した性能を発揮することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

また、駆動用電解液が含浸された素子１を内装フィルム９で封止し、更にこれを外装樹脂１０で被覆した構成により、高い封止性能と高い耐熱性を発揮することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

なお、本実施の形態においては、素子１の対向する端面に露呈した各電極上に陽極集電電極５と陰極集電電極６を夫々形成し、この陽極集電電極５と陰極集電電極６に陽極端子７と陰極端子８を夫々接合する例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、素子１の対向する端面に露呈した各電極に陽極端子７と陰極端子８を直接接合するようにしても構わないものであり、このような構成によっても同様の効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項６に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１〜図３を用いて説明した電気二重層キャパシタの素子の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて詳細に説明する。

図４は本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタを構成する素子の構成を示した断面図であり、図４において、１１は素子を示し、この素子１１はアルミニウム箔からなる集電体の片面に分極性電極層１２ａを形成した長尺の陽極電極１２と、同じくアルミニウム箔からなる集電体の片面に分極性電極層１３ａを形成した長尺の陰極電極１３とを、その間に長尺のセパレータ１４を介在させて重ね合わせ、これらを交互に折り返すことによって積層状に折り曲げ、陽極電極１２と陰極電極１３が夫々対向する端面に露呈すると共に、最上段と最下段に陰極電極１３が配設されるように構成されたものである。

このように構成された本実施の形態による素子１１は、上記実施の形態１による素子１と同様に、簡単な構成によって作業性が向上するばかりでなく、高い寸法精度を確保することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

なお、このように構成された素子１１は、上下方向（積層方向）にプレス加工されることによって極めて薄い厚みに加工されるものであるが、本実施の形態においては、構成を分かり易くして説明するために、プレス加工なしの状態のままで図示している。

また、図示はしないが、上記素子１１には駆動用電解液が含浸され、素子１１の対向する端面に露呈した陽極電極１２と陰極電極１３上には陽極集電電極と陰極集電電極が夫々形成され、この陽極集電電極と陰極集電電極には陽極端子と陰極端子が夫々接合され、この陽極端子と陰極端子の一部が表出した状態で素子１１を絶縁性の内装フィルム９で封止し、更にこれを絶縁性の外装樹脂１０で被覆して、本実施の形態による電気二重層キャパシタを構成するのは上記実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項８に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１〜図３を用いて説明した電気二重層キャパシタの内装フィルムで封止された素子を１つのセルとし、このセルを複数個接続して外装樹脂で一体に被覆した点が異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて詳細に説明する。

図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの構成を示した製造工程図であり、図５において、１５はセルを示し、このセル１５は上記実施の形態１で図１を用いて説明したように、駆動用電解液を含浸した素子１を絶縁性の内装フィルム９で封止したものであり、この内装フィルム９から陽極端子７と陰極端子８の一端に夫々設けられた接続部７ａ、８ａが表出しているものである。

このように構成されたセル１５を図５（ｂ）に示すように２個重ね合わせ、上記陽極端子７と陰極端子８に夫々設けられた接続部７ａ、８ａに陽極外部端子１６と陰極外部端子１７を夫々接続し、これを図５（ｃ）に示すように、上記陽極外部端子１６と陰極外部端子１７の一部が外部に表出した状態で絶縁性の外装樹脂１０で被覆した後、図５（ｄ）に示すように、上記外装樹脂１０から表出した陽極外部端子１６と陰極外部端子１７を外装樹脂１０に沿って折り曲げることにより、本実施の形態による電気二重層キャパシタが構成されているものである。

このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタは、上記実施の形態１、２による電気二重層キャパシタにより得られる効果に加え、複数個のセル１５を接続して一体化することにより、小型大容量化を実現することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

本発明による電気二重層キャパシタは、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に低抵抗化と低背化を図り、更に、陽極電極の局所部で発生する腐食反応を抑制して安定した性能を発揮することができるという効果を有し、各種電源のアシスト用分野等として有用である。

本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの構成を示した断面図同電気二重層キャパシタを構成する素子の構成を示した斜視図同電気二重層キャパシタに使用される陰極端子の構成を示した斜視図本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタを構成する素子の構成を示した断面図（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの構成を示した製造工程図従来の電気二重層キャパシタの構成を示した断面図

符号の説明

１、１１素子
２Ａ、１２陽極電極
２ａ、３ａ、１２ａ、１３ａ分極性電極層
３Ａ、３Ｂ、１３陰極電極
４、１４セパレータ
５陽極集電電極
６陰極集電電極
７陽極端子
８陰極端子
７ａ、８ａ接続部
９内装フィルム
１０外装樹脂
１５セル
１６陽極外部端子
１７陰極外部端子

Claims

一部に分極性電極層を形成した陽極電極と陰極電極と、
この陽極電極と陰極電極の間にセパレータを介在させて複数層積層した素子と、
この素子の積層方向と平行となる端面に対向して夫々露呈した上記陽極電極と上記陰極電極上に、少なくとも一部が接合された陽極端子と陰極端子と、
この陽極端子と陰極端子の少なくとも一部が表出した状態で、上記素子を封止した外装樹脂と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、
上記陽極電極と陰極電極の上記分極性電極層は、上記セパレータを介して前記積層方向に重なりあうように設けられ、
上記素子は、最上面と最下面に上記分極電極層が形成されていない上記陰極電極が配設され、
上記陰極端子は、外方に突出する接続部を設けたコ字形に形成され、
上記コ字形の内面は、上記素子の上記端面に露呈した上記陰極電極に接合され、かつ積層した上記分極性電極を挟持するように、上記素子の最上段と最下段の上記陰極電極に接合された電気二重層キャパシタ。
上記素子の上記端面に夫々露呈した上記陽極電極と上記陰極電極の各表面に陽極集電電極と陰極集電電極をコールドスプレーにより夫々形成し、この陽極集電電極と陰極集電電極に上記陽極端子と上記陰極端子の少なくとも一部を夫々接合するようにした請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
上記コ字形の内面は、上記陰極電極上に形成された上記陰極集電電極に接合した請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
上記コ字形の接続部は、舌片状に設けられた請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
上記セパレータは、交互に折り返すことにより積層状に折り曲げられた請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。