CN101305432A - 双电层电容器 - Google Patents

Abstract

一种双电层电容器，具备壳体、填充到壳体内的电解液和浸渍在电解液中的电极箔。电极箔具有集电体和覆盖集电体的电极层。集电体具有第1面和在该第1面相反侧的第2面。在集电体上，形成有贯通第1面与第2面之间的多个开口部。集电体具有突起部，所述突起部位于多个开口部中的至少一个开口部的边缘，从第1面突出，并且插入到电极层中。该双电层电容器可以增大电极层与集电体的接触面积和它们的接合强度，且可以使集电体较薄，所以能够获得高能量密度和高输出密度。

Description

双电层电容器

技术领域

本发明涉及用于各种电子设备的双电层电容器。

背景技术

双电层电容器具备电容器元件，所述电容器元件具有一对可极化电极和设置在该一对可极化电极之间的隔膜。电容器元件与电解液一起插入并密封在壳体内。可极化电极具有集电体。双电层电容器与二次电池相比输出密度更大，可瞬时流通大电流，从而应用于电动汽车等的动力辅助单元、不断电电源装置等。对于双电层电容器，迫切希望能够获得更大的输出密度和能量密度，提高对连续施加电压的可靠性以及对反复进行充放电循环的耐久性。尤其对于面向汽车应用的双电层电容器而言，获得大的输出密度和能量密度是非常重要的。

双电层电容器中，是通过电解质离子吸附到电极上和从电极脱离而蓄积和释放电荷，所以与伴有化学反应的电池相比，具有更高的输出密度和优异的低温特性。该输出密度取决于双电层电容器中的内阻与电压，为了提高输出密度，必须降低内阻。为了降低内阻，关键在于增大电极体与集电体的接触面积，为了抑制内阻随着时间降低，必须提高电极体与集电体的接合强度。而且，为了获得高能量密度，有效的是使集电体较薄，从而提高在单体(cell)内的电极层占有率，而为了使集电体较薄，期望具有大的强度的集电体。

专利文献1中揭示了由铝网构成的集电体、和由具有粗糙化了的表面的铝箔构成的集电体。专利文献2中揭示了由铝多孔金属板(aluminumexpanded metal)制成的集电体。在这些集电体中，接触面积的增大、接合强度的增大以及集电体的薄化对于汽车等所规定的应用领域而言仍不够充分。在如金属网那样仅具有开口部的集电体中，通过扩大开口部，可以使设置在集电体两侧的电极体相互接合，从而可以增大接合强度。然而，一旦扩大开口部，集电体的强度就会降低，所以无法使集电体较薄，而且，因为集电体的有效面积变小，所以集电体与电极体的接触面积变小，双电层电容器的内阻增大。

专利文献1：日本特开平4-162510号公报

专利文献2：美国专利第4,327,400号

发明内容

双电层电容器具备壳体、填充到壳体内的电解液和浸渍在电解液中的电极箔。电极箔具有集电体和覆盖集电体的电极层。集电体具有第1面和在该第1面相反侧的第2面。在集电体上，形成有贯通第1面与第2面之间的多个开口部。集电体具有突起部，所述突起部位于多个开口部中的至少一个开口部的边缘，从第1面突出且插入到电极层中。

该双电层电容器可以增大电极层与集电体的接触面积和它们的接合强度，且可以使集电体较薄，所以能够获得高能量密度和高输出密度。

附图说明

图1是本发明实施方式的双电层电容器的立体图。

图2是实施方式的双电层电容器的局部剖切立体图。

图3A是实施方式的双电层电容器的电极箔的剖面图。

图3B是实施方式的双电层电容器的另一电极箔的剖面图。

图4A是实施方式的双电层电容器的集电体的平面图。

图4B是实施方式的双电层电容器的另一集电体的平面图。

图5表示实施方式的双电层电容器的特性的评价结果。

图6是实施方式的双电层电容器的又一电极箔的剖面图。

图7是实施方式的双电层电容器的又一集电体的平面图。

图8是图7所示集电体沿线8-8的剖面图。

图9是图7所示集电体的放大平面图。

附图标记说明

21    壳体

22    电解液

31    集电体(第1集电体、第2集电体)

25    电极层(第1电极层、第2电极层)

23    电极箔(第1电极箔、第2电极箔)

33    开口部(第1开口部、第2开口部)

33A   开口部的边缘

32    突起部(第1突起部、第3突起部)

52    底涂层

123   电极箔(第1电极箔、第2电极箔)

131   集电体(第1集电体、第2集电体)

132   突起部(第1突起部、第3突起部)

133   开口部(第1开口部、第2开口部)

133A  开口部的边缘

232  突起部(第2突起部、第4突起部)

具体实施方式

图1是本发明实施方式的双电层电容器1001的立体图。图2是双电层电容器1001的局部剖切立体图。双电层电容器1001具备：铝制的壳体21；填充到壳体21内的电解液22；浸渍在电解液22中的两片电极箔23；绝缘性的两片隔膜24；以及密封壳体21的密封橡胶27。如图2所示，电极箔23与隔膜24交替重叠并被卷绕。即，两片电极箔23利用配置在它们之间的隔膜24而相互绝缘。两片电极箔23上分别连接有铝制的引线26。引线26贯通密封橡胶27而引出到壳体21之外。电极箔23具有铝制的集电体31和覆盖集电体31的两面且含活性炭的电极层25。电极层25由活性炭、导电性碳、羟甲基纤维素和聚四氟乙烯构成。电解液22含有电解质和溶剂，所述电解质包含四乙基铵四氟硼烷，所述溶剂包含聚碳酸酯。

图3A是电极箔23的剖面图。集电体31由铝制的金属箔构成，且具有面31A和在面31A相反侧的面31B。集电体31的面31A、31B由电极层25覆盖。在集电体31上形成有贯通面31A、31B的多个开口部33，集电体31具有突起部32，该突起部32在开口部33的边缘33A处从面31A突出。突起部32利用通过侵入电极层25内而获得的锚固效果，即使开口部33不扩大也可以增大集电体31与电极层25的粘合强度。而且，因为即使扩大开口部33也可以增大集电体31的表面积，所以可减小双电层电容器1001的内阻。通过突起部32，可以缩短电极层25中所含的活性物质与集电体31的距离，因此可以降低内阻。如图2所示，通过卷绕电极箔23而产生的张力会施加到集电体31上，但可利用突起部32来增大集电体31的强度，从而获得对该张力的较大抗性。突起部32侵入电极层25的深度取决于突起部32的高度D2，突起部32的高度D2取决于开口部33的径D1。在开口部33的径D1较小、突起部32的高度D2较低的情况下，所述的效果较小。因此，开口部33的径D1优选为20μm以上，突起部32的高度D2优选为10μm以上。

图3B是实施方式的另一电极箔123的剖面图。电极箔123具备具有面131A、131B的集电体131。电极层25设置在面131A、131B上。在集电体131上形成有贯通面131A、131B的多个开口部133，集电体131具有突起部132和突起部232，所述突起部132在开口部133的边缘133A处从面131A突出，所述突起部232在开口部133的边缘133A处从面131B突出。集电体131具有与图3A所示的集电体31相同的效果。多个开口部中，设置有突起部132的开口部133与形成有突起部232的开口部133相邻。

图4A是集电体31的平面图。形成在集电体31上的正方形的多个开口部33按照规定的规则而配置。多个开口部33的总面积Sp相对于包括开口部33在内的集电体31的面积SA1之比R(％)规定为如下：

R(％)＝SpSA1×100

比率R优选在10％以上且在90％以下。当比率R小于10％时，突起部32变小而难以获得锚固效果，从而无法大幅增大接合强度且无法大幅减小内阻。当比率R大于90％时，集电体31的强度无法经受住卷绕电极箔23时产生的张力，所以不适合。

图4B是另一集电体331的平面图。集电体331形成有正六边形的开口部333，且具有蜂窝构造。在将某个面划分成面积相等且图形相同的区域时，当该图形为圆、八边形、五边形时，会在各区域间产生无用的空隙，而且在区域间有不同的各种形状的壁，从而造成材料的浪费。如果划分为三角形、四边形、六边形的区域，则相互相邻的各区域间的壁具有相同的形状且不会造成无用的空隙。当划分为相同面积时，在这些图形中区域的边长总计最短的是六边形。即，具有六边形的开口部的集电体可以由最少的材料构成。另外，四边形的开口部对来自斜方向的力较弱，而六边形的开口部即使受到来自各个方向的较大力也不会变形，抗伸缩和扭曲。即，与图4A所示的四边形的开口部相比，正六边形的开口部可以增大集电体的强度，所以能够使集电体较薄，因而优选正六边形的开口部。

图5表示双电层电容器1001的特性的评价结果。所评价的特性是作为接合强度指标的电极箔23的挠性和双电层电容器1001的内阻。另外，电极箔23的挠性，是用将电极箔23卷绕在圆柱上并且未发现电极箔23有裂纹等异常情况时的圆柱的最小直径来表示。该直径越小，则电极箔23所具有的挠性越大，集电体31与电极层25的接合强度越大。

比较例的双电层电容器具备具有集电体的电极箔，所述集电体不具有开口部和突起部。

实施例1是具备图3A所示的集电体31的双电层电容器。与比较例相比，具备集电体31的实施例1中，电极箔23的集电体31与电极层25的接合强度和电极箔23的挠性大，且内阻降低到70.8mΩ。

实施例2是具备图3B所示的集电体131的双电层电容器。与实施例1相比，实施例2的集电体131与电极层25的接合强度和电极箔的挠性更大，且电容器的内阻降低到47.2mΩ。

实施例3是具备图4B所示的蜂窝构造的集电体331的双电层电容器。利用具有正六边形开口部的集电体，增大集电体与电极层的接合强度，使集电体的厚度薄至15μm，且挠性增大。实施例3的双电层电容器的内阻降低到45.8mΩ。

集电体31、131、331可以使用作为通过阳极氧化而形成钝态皮膜的金属的铝、钛、铌、钽、铪、锆、锌、钨、铋、锑、镁或者它们的混合物等。

集电体31、131、331的厚度优选在15μm以上且在100μm以下。如果集电体31、131、331的厚度小于15μm，则有时会因卷绕时产生的张力而导致电极箔23、123被切断。如果集电体31、131、331的厚度大于100μm，则难以卷绕电极箔23、123。

图6是实施方式的双电层电容器1001的又一电极箔223的剖面图。电极箔223具备图3B所示的集电体131和覆盖集电体131且以碳为主成分的底涂层52，电极层25覆盖底涂层52。集电体131与底涂层52作为集电体431发挥作用。因为底涂层52与电极层25牢固地接合，所以能够使集电体131与电极层25牢固地接合在一起。

图5所示的实施例4是具有底涂层52的双电层电容器。利用底涂层52，集电体131与电极层25的接合强度增加，电极箔223的挠性大，且可利用底涂层52的高导电性来使内阻降低到43.3mΩ。

图5的实施例5是将实施例4的集电体的开口部形状设为图4B所示的正六边形的双电层电容器。通过将开口部的形状设为正六边形，集电体与电极层的接合强度进一步增加，且使集电体的厚度薄至15μm，此外还增大了挠性，且可使内阻降低到41.8mΩ。

图7是实施方式的又一集电体61的平面图。图8是图7所示集电体61沿线8-8的剖面图。集电体61由铝构成，且形成有开口部62。在开口部62的周围，形成有集电体61的材料重叠而成的重叠部63。图3A所示的突起部32通过辊压而弯曲，可形成重叠部63。开口部62的径D3为5μm。集电体61的厚度为15μm。

开口部62具有为多边无定形形状的星型形状。所谓多边无定形形状，是指难以用四边形、六边形、圆形和椭圆形等几何形状来描述的形状，是由混合着直线与曲线的封闭线形成。多边无定形形状的开口部62，例如可以通过对图3A和图3B所示的集电体31、131进行辊压而获得。在辊压前从集电体31、131突出的突起部32、132，会在辊压后向与集电体31、131平行的方向弯折，从而形成重叠部63。重叠部63的高度大致为0，但由于加工偏差而难以完全为0。利用这样低的重叠部63，可以在将电极层25涂布到集电体61上时很容易地控制集电体61的位置，从而可以提高涂布的精度。通过集电体61，可以提高实质生产率，并且可以降低双电层电容器的内阻。

图9是集电体61的放大平面图，表示了开口部62。按如下方式来定义多边无定形形状的开口部62的径D3。定义直线362，该直线362与通过开口部62的边缘162上的点82的切线262成直角，且经过点82。定义直线362与边缘162相交并且不同于点82的点83。将点82到点83为止的距离中的最小距离定义为开口部62的径D3。径D3优选为0.01μm～50μm。实施方式中径D3为5μm。如果开口部62的径D3小于0.01μm，则电解质离子难以移动通过开口部62，因而内阻会增高。如果径D3超过50μm，那么一旦为了形成电极层25而涂布在集电体61上的液体的粘度不高，则该液体就会从开口部62漏出，所以无法高精度地涂布该液体。然而，如果电解质离子的径较小，则即使开口部62的径D3小于0.01μm，有时内阻也不会上升。

图5的实施例6是具备图7～图9所示的集电体61的双电层电容器。开口部62的径D3为5μm，可以利用形成实施例1～5的电极层的液体来形成电极层25。实施例6中，可以使集电体61的厚度薄至15μm，挠性较大，且可将内阻降低到41.6mΩ。

实施例6中，集电体61是通过对图3A所示的集电体31进行压制而形成，重叠部63仅形成于集电体61的单面。为了容易进行开口加工，也可以通过对图3B所示的集电体131进行压制而形成集电体61，此时重叠部63设置于集电体的两面。

集电体31、61、131、331是铝制的。当电解液22包含锂时，集电体可以由铜、镍等难以与锂合金化的金属形成。由此，可以防止在电极箔的电位降低时集电体与锂合金化。此时，集电体成为负极，而成为正极的集电体也可以是铝制的。即，此时，成为正极的集电体与成为负极的集电体可以由不同的材料形成。

当电极层25包含锂时，通过实施例6的集电体61的开口部62，电解液中的锂离子容易扩散到电极箔中，从而可以缩短锂离子嵌入电极箔的时间。

成为正极的集电体的开口部的形状也可以与成为负极的集电体的开口部的形状不同。

另外，成为正极的集电体的开口部的径也可以与成为负极的集电体的开口部的径不同。

另外，成为正极的集电体的多个开口部的总面积相对于成为正极的集电体的包括多个开口部在内的面积之比，也可以与成为负极的集电体的多个开口部的总面积相对于成为负极的集电体的包括多个开口部在内的面积之比不同。

另外，开口部也可以仅设置在成为正极的集电体和成为负极的集电体中的任一方上。

即，如上所述，有关开口部的形状、径、面积、是否设置等方面，在正极与负极中也可以不同。嵌入或者吸附在正极和负极上的离子类中各自的包括溶剂化物在内的离子径不同。如上所述，有关开口部的形状、直径、面积、是否设置等方面在正极与负极中不同，由此离子可以高效地移动，离子可以高效地嵌入或吸附到正极和负极上。

另外，成为正极的集电体的突起部的高度也可以与成为负极的集电体的突起部的高度不同。

在双电层电容器1001中，有时为了将正极与负极的电容比设为最佳而使电极层的厚度在正极与负极中不同。此时，在正极与负极的其中一方上，突起部有时会从电极层的表面突出，从而导致正极与负极有时发生短路。如果集电体的突起部没有到达电极层的表面附近，则无法降低内阻。根据经过设计的电极层的厚度，使成为正极的集电体的突起部的高度与成为负极的集电体的突起部的高度不同，由此可以防止其短路及内阻变高。

实施方式的双电层电容器1001中，内阻较低，且内阻不会随时间增大。而且，电容器1001具有高输出密度和高能量密度，所以具有大电容量。

在实施方式中对双电层电容器进行了说明，但对于通过物理或电化学的离子吸附脱离或离子嵌入脱离来蓄积、释放电能的器件，例如被称为电化学电容器、有机电解质电池、非对称电容器、有机电解质电容器、超级电容器等的蓄电器件而言，通过使之也具备实施方式所述的具有突起部的集电体，能够获得同样的效果。

工业利用可能性

本发明的双电层电容器，内阻低，内阻不会随时间增大，且具有大电容量，可用于各种电子设备的电源等中。

本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1～20、(删除)

21、一种包含锂离子的双电层电容器，具备：

壳体、

填充到所述壳体内并包含锂离子的电解液、

具有作为负极的铜或镍集电体和在所述集电体上涂布形成的电极层、且浸渍在所述电解液中的电极箔、以及

具有作为正极的铝集电体和在所述集电体上涂布形成的电极层、且浸渍在所述电解液中的电极箔，

所述铜或镍集电体以及所述铝集电体具有第1面和在所述第1面相反侧的第2面，

在所述铜或镍集电体以及所述铝集电体上形成有多个开口部，所述多个开口部贯通所述第1面与所述第2面之间，且具有多边无定形形状，并且具有0.01μm～50μm的大小以不妨碍锂离子的移动并且使涂布时涂布液不漏出。

22、根据权利要求21所述的包含锂离子的双电层电容器，其中，

形成有多个开口部，其具有多边无定形形状，且具有0.01μm～50μm的大小，并且在所述开口部的周边部具有重叠部，以不妨碍锂离子的移动并且使涂布时涂布液不漏出。

Claims (22)

1、一种双电层电容器，具备：

壳体、

填充到所述壳体内的电解液、以及

具有第1集电体和覆盖所述第1集电体的第1电极层、且浸渍在所述电解液中的第1电极箔，

所述第1集电体具有第1面和在所述第1面相反侧的第2面，

在所述第1集电体上，形成有贯通所述第1面与所述第2面之间的多个第1开口部，

所述第1集电体具有第1突起部，所述第1突起部位于所述多个第1开口部中的至少一个开口部的边缘，从所述第1面突出，并且插入到所述第1电极层中。

2、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体还具有第2突起部，所述第2突起部位于所述多个第1开口部中的其他的至少一个开口部的边缘，从所述第2面突出，并且插入到所述第1电极层中。

3、根据权利要求2所述的双电层电容器，其中，

所述至少一个开口部与所述其他的至少一个开口部相互相邻。

4、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体由铝、铜、钛、铌、钽、镍、铪、锆、锌、钨、铋、锑、镁、它们的混合物之中的任一种制成。

5、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体的所述多个第1开口部的径为20μm以上。

6、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述多个第1开口部的总面积相对于所述第1集电体的包括所述多个第1开口部在内的面积之比为10％～90％。

7、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述多个第1开口部的形状是正六边形。

8、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体的厚度为15μm～100μm。

9、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体的所述第1突起部的高度为10μm以上。

10、根据权利要求1所述的双电层电容器，还具备：

第2电极箔，其具有第2集电体和覆盖所述第2集电体的第2电极层，并且浸渍在所述电解液中，

所述第2集电体具有第3面和在所述第3面相反侧的第4面，

在所述第2集电体上，形成有贯通所述第3面与所述第4面之间的多个第2开口部。

11、根据权利要求10所述的双电层电容器，其中，

所述多个第2开口部的形状与所述多个第1开口部的形状不同。

12、根据权利要求10所述的双电层电容器，其中，

所述多个第2开口部的径与所述多个第1开口部的径不同。

13、根据权利要求10所述的双电层电容器，其中，

所述多个第1开口部的总面积相对于所述第1集电体的包括所述多个第1开口部在内的面积之比，与所述多个第2开口部的总面积相对于所述第2集电体的包括所述多个第2开口部在内的面积之比不同。

14、根据权利要求10所述的双电层电容器，其中，

所述第1集电体的材料与所述第2集电体的材料不同。

15、根据权利要求10所述的双电层电容器，其中，

所述第2集电体具有第2突起部，所述第2突起部位于所述多个第2开口部中的至少一个开口部的边缘，从所述第3面突出，并且插入到所述第2电极层中。

16、根据权利要求15所述的双电层电容器，其中，

所述第1突起部的高度与所述第2突起部的高度不同。

17、根据权利要求1所述的双电层电容器，还具备：

底涂层，其设置在所述第1集电体与所述第1电极层之间且设置在所述集电体上，并以碳为主成分。

18、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述第1电极层含有碳作为主成分。

19、根据权利要求1所述的双电层电容器，其中，

所述多个第1开口部具有多边无定形形状。

20、根据权利要求19所述的双电层电容器，其中，

所述第1开口部的径为0.01μm～50μm。

21、一种双电层电容器，具备：

壳体、

填充到所述壳体内的电解液、以及

具有集电体和覆盖所述集电体的电极层、且浸渍在所述电解液中的电极箔，

所述集电体具有第1面和在所述第1面相反侧的第2面，

在所述集电体上形成有多个开口部，所述多个开口部贯通所述第1面与所述第2面之间，且具有多边无定形形状。

22、根据权利要求21所述的双电层电容器，其中，

所述集电体由铝、铜、钛、铌、钽、镍、铪、锆、锌、钨、铋、锑、镁、它们的混合物之中的任一种制成。

Images