JP2000182905A - 電気二重層コンデンサおよび電気二重層コンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解液が外部に漏れる可能性を低下させた電
気二重層コンデンサおよびその製造方法を提供する。 【解決手段】 セパレーター１１と、活性炭シートから
構成される分極性電極１２，１２と、集電極１３，１３
から構成され、有機溶媒系電解液を含む蓄電部１４の周
囲を、有機溶媒系電解質をゲル化剤にてゲル化したゲル
状高分子含有固体電解質１５にて覆う。これにより、セ
パレーター１１を挟んで対向する分極性電極１２，１２
の間のイオン移動性は確保されるとともに、例えば保護
容器１６に孔が生じても電解液が漏れ出す可能性は低
く、取り扱いは容易になる。さらに、電気二重層コンデ
ンサ１は、静電容量や内部抵抗においても従来とほぼ同
等の特性を有する。すなわち、性能を維持したまま安全
性をより高めた電気二重層コンデンサとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解液が外部に漏
れる可能性を低下させた電気二重層コンデンサおよびそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】分極性電極と電解質との界面に生じる電
気二重層を電荷蓄積手段として用いる電気二重層コンデ
ンサは、静電容量が大きいという特性から、ＤＲＡＭな
ど半導体素子のバックアップ用電源として利用されてい
る。

【０００３】ここで、従来の電気二重層コンデンサの一
例である電気二重層コンデンサ３の構成について、図９
を用いて説明する。電気二重層コンデンサ３は、板状の
セパレーター３１と、セパレーター３１の両面上にそれ
ぞれ設けられていて活性炭製である分極性電極３２と、
分極性電極３２の上に設けられていて電気二重層コンデ
ンサ３外部と分極性電極３２とを接続する集電極３３
と、セパレーター３１，分極性電極３２，３２，集電極
３３，３３を覆う保護容器３４と、保護容器３４内に充
填されている電解液３５と、により構成されている。集
電極３３を介して分極性電極３２に到達した電荷は、多
孔質である分極性電極３２中に浸透した電解液３５と、
該分極性電極３２の多孔表面と、の界面に形成される電
気二重層に蓄積される。この際、電荷のバランスをとる
ために、電解液３５を介して２つの分極性電極３２の間
をイオンが移動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、電気二重層コ
ンデンサ３は、保護容器３４の内部に液体である電解液
３５を充填した構造であったため、保護容器３４から電
解液３５が漏れることがあった。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するため、電
解液が漏れる可能性を低下させた電気二重層コンデンサ
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、電荷蓄積用電解液と、絶縁
性のセパレーターにより複数の構成部に分割されてい
て、内部に前記電荷蓄積用電解質を含有している分極性
電極と、を備える電気二重層コンデンサにおいて、前記
分極性電極は、ゲル状高分子含有固体電解質に覆われて
いることを特徴とする。

【０００７】この請求項１記載の発明によれば、分極性
電極をゲル状高分子含有固体電解質にて覆ったので、電
解質イオンの移動は可能であり、その結果電荷のバラン
スは保たれるとともに、分極性電極を保護することがで
きる。

【０００８】ここで、請求項２記載の発明のようにゲル
状高分子含有固体電解質は、セルロース系高分子を含有
してもよく、請求項３記載の発明のように分極性電極
は、前記電荷蓄積用電解質を有する電解液を含有しても
よい。

【０００９】この請求項２、３に記載の発明によれば、
セルロース系高分子のゲル状高分子含有固体電解質は分
極性電極の電解液が外に漏れることを防止することがで
きるため、電解液で外面が濡れていないので取り扱いは
容易になる。また、静電容量や内部抵抗においても、電
解液を有する分極性電極のみでその外をゲル状高分子含
有固体電解質で覆っていない電気二重層コンデンサとほ
ぼ同等の特性を有する。すなわち、性能を維持したまま
安全性をより高めることができる。

【００１０】また、前記分極性電極としては、バインダ
ーを８０〜９０ｗｔ％，導電剤を５〜１０ｗｔ％それぞ
れ混合した周知の活性炭電極でもよいが、電極として機
能する部分と電解質との界面積すなわち静電容量を増や
すために、請求項４記載の発明のように、導電剤を含ま
ずに、バインダーのみ１ｗｔ％以下ほど混合した活性炭
電極としてもよい。

【００１１】また、請求項５記載の発明は、請求項１〜
請求項４のいずれかに記載の電気二重層コンデンサを、
同一の保護容器内に、相互の絶縁を確保しつつ複数設け
た電気二重層コンデンサであることを特徴とする。

【００１２】この請求項５記載の発明によれば、請求項
１〜請求項４のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ
を、同一の保護容器の中に複数、例えば間に絶縁板を挟
んで互いに絶縁を確保しつつ設けることにより、大きな
容量や電圧を確保することができる。また、前記分極性
電極の周囲をゲル状高分子含有固体電解質で覆っている
ので、例えば絶縁板に孔が開いても、前記複数の請求項
１〜請求項４のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ
同士が導通する可能性は低い。

【００１３】また、請求項６記載の発明は、電気二重層
コンデンサの製造方法において、電解液を含む分極性電
極部の周囲にゲル状高分子を形成することを特徴とす
る。

【００１４】この請求項６記載の発明によれば、分極性
電極を保護する電気二重層コンデンサを作製できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、本発明の実
施例について詳細に説明する。

【００１６】＜第１の実施例＞図１は、本発明の第１の
実施例である電気二重層コンデンサ１の構成を説明する
図であり、図２は、電気二重層コンデンサ１の製造方法
を説明するフローチャートである。図３は、電気二重層
コンデンサ１の静電容量を、従来の電気二重層コンデン
サ３と比較して示すグラフであり、図４は、電気二重層
コンデンサ１の内部抵抗を、電気二重層コンデンサ３と
比較して示すグラフである。図５は、比較例である固体
電解質を分極性電極に備えた電気二重層コンデンサの静
電容量を示すグラフである。図６は、比較例である固体
電解質を分極性電極に備えた電気二重層コンデンサの内
部抵抗を示すグラフである。

【００１７】まず、電気二重層コンデンサ１の構成につ
いて説明する。電気二重層コンデンサ１は、図１に示す
ように、板状のセパレーター１１と、セパレーター１１
の両面上にそれぞれ設けられる分極性電極１２，１２
と、分極性電極１２の外面に設けられていて外部と分極
性電極１２とを接続する集電極１３と、から構成される
蓄電部１４と、蓄電部１４を覆うゲル状高分子含有固体
電解質１５と、蓄電部１４およびゲル状高分子含有固体
電解質１５を覆う保護容器１６と、により概略構成され
ている。

【００１８】セパレーター１１は、例えばＰＴＦＥ（ポ
リプロピレン）や多孔質セラミックなどの絶縁物質から
なる板である。

【００１９】分極性電極１２は、多孔質である活性炭を
ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などのバインダや導
電剤を添加してシート状にした多孔質の活性炭シート
に、例えば電解質であるテトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボーレイト：（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４が０．
７ｍｏｌ／ｌの濃度で含有されたプロピレンカーボネー
ト溶液などの周知の有機溶媒系電解液を含浸させた構成
をとる。

【００２０】集電極１３は例えばアルミ製の導電性板で
あり、一端を保護容器１６の外に引き出している。すな
わち、従来の集電極３３と概略同じ構成をとる。

【００２１】ゲル状高分子含有固体電解質１５は、電解
質であるテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボー
レイトを所定の濃度で含有させたプロピレンカーボネイ
ト溶液をゲル状セルロース系高分子で固定化し、このゲ
ル状高分子が活性炭内に充填されたものである。すなわ
ち、ゲル状高分子含有固体電解質中の電解質は、解離し
てイオンとなり、毛細管現象により、分極性電極１２を
構成している活性炭中の孔に含浸している電解液中の電
解質が解離したイオンと混在することができ、セパレー
ター１１を挟んで対向する分極性電極１２，１２の間の
イオン移動性を確保している。

【００２２】保護容器１６は、例えば対向させた２枚の
プラスチックフィルムの周縁部を密着させたラミネート
であり、電気二重層コンデンサ１の他の構成部を内部に
包み込んで保護する。すなわち、周知の電気二重層コン
デンサに用いられる保護容器である。

【００２３】次に、電気二重層コンデンサ１の製造方法
について、図２のフローチャートに従って説明する。

【００２４】まず、活性炭粉末５〜１０ｗｔ％程度に、
バインダを８０〜９０ｗｔ％、導電剤を５〜１０ｗｔ％
程度それぞれ混合して練り合わせ、シート状にして活性
炭シートを作製する。次に、セパレーター１１の両面に
活性炭シートをそれぞれ張り合わせ、さらに、活性炭シ
ートの上に集電極１３をそれぞれ一体的に設けることに
より、蓄電部１４を作製する（ステップＳ１）。

【００２５】次に、蓄電部１４を例えば２００℃で１２
時間ベークすることにより、蓄電部１４から水分を除去
する（ステップＳ２）。

【００２６】次に、蓄電部１４を例えば乾燥雰囲気とし
たグローブボックス中にて有機溶媒系電解液につけ込む
ことにより、水分の再付着を避けつつ活性炭シートに有
機溶媒系電解液を注入して、分極性電極１２，１２を作
製する（ステップＳ３）。

【００２７】次に、蓄電部１４を減圧下に例えば１５分
間ほど置くことにより、分極性電極１２，１２により多
くの電解液を含浸させる（ステップＳ４）。さらに、蓄
電部１４の表面に付着している余分な電解液を除去し、
この表面に集電極１３，１３を配置する（ステップＳ
５）。

【００２８】次に、、電解質であるテトラエチルアンモ
ニウムテトラフルオロボーレイトを所定の濃度で含有さ
せたプロピレンカーボネイト溶液を、モノマまたはオリ
ゴマと、重合開始剤と、からなる重合材料、導電材料、
及び活性炭材料粉末と混合し、適度に撹拌後、蓄電部１
４の表部をこの撹拌物で覆う（ステップＳ６）。ここ
で、前記撹拌物は各種材料が均一に分散される方が好ま
しいため、粘性が高い場合は練ることにより分散させる
こともできる。そしてこの撹拌物を例えば８０℃で１時
間ほど加熱することにより、蓄電部１４を覆うようにゲ
ル状高分子含有固体電解質１５を作製する（ステップＳ
７）。

【００２９】次に、蓄電部１４およびゲル状高分子含有
固体電解質１５を、集電極１３，１３の端部が外部に出
るように２枚のプラスチックフィルムで挟み、端部に熱
を加えて密着させて、保護容器１６を作製することによ
り、電気二重層コンデンサ１は完成する（ステップＳ
８）。

【００３０】このように作製される電気二重層コンデン
サ１は、有機溶媒系電解液を含む蓄電部１４の周囲をゲ
ル状高分子含有固体電解質１５にて覆い蓄電部１４を保
護することができるので、例えば保護容器１６に孔など
の開口部が生じても分極性電極１２の有機溶媒系電解液
が漏れ出す可能性は低い。

【００３１】次に、電気二重層コンデンサ１の静電容量
および内部抵抗の一例について、図３および図４を用い
て、比較例である図９に示した有機溶媒系電解液を用い
た電気二重層コンデンサ３と比較して説明する。

【００３２】まず、静電容量について説明する。ここ
で、静電容量はそれぞれ分極性電極１２，３２の体積に
て規格化した容量である。図３に示すように、電気二重
層コンデンサ１の電気容量は、５回測定を行ったとこ
ろ、平均で１９．０Ｆ／ｃｃ程度を示した。同条件にお
ける有機溶媒系電解液の電気二重層コンデンサ３の電気
容量は、５回測定を行ったところ、平均で１９．３Ｆ／
ｃｃ程度であった。以上より、電気二重層コンデンサ１
は有機溶媒系電解液の電気二重層コンデンサ３とほぼ同
等の静電容量を有することが判る。

【００３３】次に、内部抵抗について説明する。図４に
示すように、電気二重層コンデンサ１の電気容量は、５
回測定を行ったところ、平均で３．９Ω程度を示した。
同条件における有機溶媒系電解液の電気二重層コンデン
サ３の電気容量は、５回測定を行ったところ、平均で
３．１Ω程度であった。以上より、電気二重層コンデン
サ１は有機溶媒系電解液の電気二重層コンデンサ３とほ
ぼ同等の内部抵抗特性を有することが判る。

【００３４】また、比較例として、有機溶媒系電解液が
含浸された活性炭シートを備えた分極性電極の替わりに
電解液を固定化させたセルロース系ゲル状高分子を活性
炭シート内に含ませた分極性電極を用い、その外面に集
電極を用いた構造の電気二重層コンデンサの静電容量お
よび内部抵抗特性について、図５および図６を用いて説
明する。

【００３５】図５および図６において、（１）は電解質
であるテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボーレ
イトが０．７ｍｏｌ／ｌの濃度で混入されたプロピレン
カーボネイト溶液を固定化したゲル状セルロース系高分
子が活性炭中に混在している分極性電極を有する電気二
重層コンデンサのデータであり、（２）は電解質である
テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボーレイトが
０．９５ｍｏｌ／ｌの濃度で混入されたプロピレンカー
ボネイト溶液を固定化したゲル状セルロース系高分子が
活性炭中に混在している分極性電極を有する電気二重層
コンデンサのデータである。

【００３６】まず、静電容量について説明する。ここ
で、静電容量は分極性電極２２の体積にて規格化した容
量である。図５に示すように、０．７ｍｏｌ／ｌの電解
液からなるゲル状セルロース系高分子を用いた電気二重
層コンデンサの電気容量は、５回測定を行ったところ、
平均で１５．６Ｆ／ｃｃ程度を示した。また、０．９５
ｍｏｌ／ｌの電解液からなるゲル状セルロース系高分子
を用いた電気二重層コンデンサの電気容量は、５回測定
を行ったところ、平均で１８．０Ｆ／ｃｃ程度であっ
た。

【００３７】そして内部抵抗については、図６に示すよ
うに、０．７ｍｏｌ／ｌの電解液からなるゲル状セルロ
ース系高分子を用いた電気二重層コンデンサの電気容量
は、５回測定を行ったところ、平均で４４Ω程度を示し
た。また、０．９５ｍｏｌ／ｌの電解液からなるゲル状
セルロース系高分子を用いた電気二重層コンデンサのの
電気容量は、５回測定を行ったところ、平均で１４Ω程
度であった。

【００３８】このように、本発明の有機溶媒系電解液を
含浸させた活性炭シートからなる分極性電極１２，１２
の外側に集電極１３，１３を設け、この外側ほぼ全面を
ゲル状高分子含有固体電解質１５で覆った電気二重層コ
ンデンサ１は、上述したような本発明と同濃度或いはそ
れより高濃度の電解液を含むゲル状セルロース系高分子
含有固体電解質を分割性電極に用い、その外側に集電極
を設けた比較例である電気二重層コンデンサより優れた
静電容量特性および内部抵抗特性を示す。

【００３９】以上より、本発明の第１の実施例である電
気二重層コンデンサ１によれば、有機溶媒系電解液を含
む蓄電部１４の周囲を、電解質が分散されたゲル状高分
子含有固体電解質１５にて覆ったので、セパレーター１
１を挟んで対向する分極性電極１２，１２の間のイオン
移動性は確保されるとともに、例えば保護容器１６に孔
が生じても電解液が漏れ出す可能性が低く、有機電解液
が含浸された分極性電極を有し、周囲をゲル状セルロー
ス系高分子で覆わない電気二重層コンデンサより取り扱
いは容易になる。さらに、電気二重層コンデンサ１は、
静電容量や内部抵抗においても有機電解液が含浸された
分極性電極を有し、周囲をゲル状セルロース系高分子で
覆わない電気二重層コンデンサとほぼ同等の特性を有す
る。

【００４０】＜第２の実施例＞図７は、本発明の第２の
実施例である電気二重層コンデンサ２の構成を説明する
図である。

【００４１】まず、電気二重層コンデンサ２の構成につ
いて説明する。電気二重層コンデンサ２は、図７に示す
ように、電気二重層コンデンサ１とほぼ同じ構成を有す
るが、ゲル状高分子含有固体電解質１５の代わりに電解
質含有ゲル状高分子２５を用いた構成を有する。

【００４２】分極性電極１２は、電解質として例えばテ
トラエチルアンモニウムテトラフルオロボーレイトが有
機溶媒であるプロピレンカーボネート中に含有された有
機溶媒系電解液が内部に注入された活性炭シートであ
る。電解質含有ゲル状高分子２５は、電解質としてテト
ラエチルアンモニウムテトラフルオロボーレイトのプロ
ピレンカーボネイト溶液が固定化されたセルロース系の
ゲル状高分子からなる。

【００４３】次に、電気二重層コンデンサ２の作製方法
について説明する。

【００４４】まず、第１の実施例のステップＳ１〜ステ
ップＳ５と同様の方法を用いて蓄電部１４を作製する。
次に、モノマまたはオリゴマと、重合開始剤と、からな
る重合材料に電解液を混合し、この混合物で集電極１
３，１３が外側に形成された分極性電極１２，１２の周
囲を覆い、８０℃で１時間ほど加熱し、電解質含有ゲル
状高分子２５を形成する。そして、集電極１３，１３の
端部が外部に出るように２枚のプラスチックフィルムで
挟み、端部に熱を加えて密着させて、保護容器１６を作
製することにより、電気二重層コンデンサ１は完成す
る。

【００４５】このように作製される電気二重層コンデン
サ２は、電解質含有ゲル状高分子２５及び保護容器１６
で二重に保護しているので、分極性電極１２の電解液が
漏れ出す可能性は低い。また保護容器１６を形成する工
程で最表面が分極性電極１２の電解液のために濡れない
ため、取り扱いは容易となる。

【００４６】なお、本発明は、電気二重層コンデンサ
１，２に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲で任意の変形が可能である。例えば、分極性
電極１２やゲル状高分子含有固体電解質１５の電解液は
有機溶媒系電解液に限定されるものではなく、水溶液系
電解液を用いることもできる。上記実施形態では、重合
材料は加熱重合に高分子化するものであったが、これに
限らず光重合性の重合材料を用いてもよい。この場合、
重合材料を用いる工程で重合する前までは、重合材料か
ら重合する波長域の光を遮光しなければならない。ま
た、上記実施形態では、モノマ、オリゴマや重合開始剤
からなる重合材料を加熱重合して成型していたが、重合
材料の替わりにポリマの顆粒を活性炭粉末と混合して成
型してもよい。

【００４７】また、複数の電気二重層コンデンサを用い
て容量や電圧を稼ぐ必要がある場合は、図８に示すよう
に、保護容器１６の中に、複数の蓄電部１４，１４・・
・とその周囲を覆うゲル状高分子含有固体電解質１５，
１５・・・を、絶縁板１７を間に挟んで互いに絶縁を確
保しつつ並列に配置し直列に接続することにより、一つ
の電気二重層コンデンサ４で所定の容量や電圧を確保す
ることもできる。電気二重層コンデンサ４の場合、最も
両外側の電気二重層コンデンサの外面側のゲル状高分子
含有固体電解質１５，１５をより厚く設けることで外部
応力から蓄電部１４を保護し、電解液の漏洩を抑制する
ことができる。

【００４８】また、分極性電極１２を構成する活性炭シ
ートの材料比率を、例えば活性炭粉末を９９ｗｔ％以上
として、残りをバインダーとすると、活性炭と電解質と
の界面積は増加するため、電気二重層コンデンサ１，２
の容量はさらに増加する。

【００４９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、分極性電
極をゲル状高分子含有固体電解質にて覆ったので、電解
質イオンが移動して電荷のバランスは保たれるととも
に、分極性電極を保護することができる。

【００５０】また、請求項２、３記載の発明によれば、
セルロース系高分子のゲル状高分子含有固体電解質は分
極性電極の電解液が外に漏れることを防止することがで
き、電解液で外面が濡れていないので取り扱いは容易に
なり、また、静電容量や内部抵抗においても電解液を有
する分極性電極のみでその外をゲル状高分子含有固体電
解質で覆っていない電気二重層コンデンサとほぼ同等の
特性を有する。すなわち、性能を維持したまま安全性を
より高めることができる。

【００５１】また、請求項４記載の発明によれば、前記
分極性電極として、バインダーのみ１ｗｔ％以下ほど混
合した活性炭電極を用いたので、前記分極性電極と電解
質との界面積すなわち電気二重層コンデンサの静電容量
は増加する。

【００５２】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項１〜請求項４のいずれかに記載の電気二重層コンデン
サを、同一の保護容器の中に複数、例えば間に絶縁板を
挟んで互いに絶縁を確保しつつ設けたので、一つの電気
二重層コンデンサでより大きな容量や電圧を確保でき
る。また、前記分極性電極の周囲をゲル状高分子含有固
体電解質で覆っているので、前記複数の請求項１〜請求
項４のいずれかに記載の電気二重層コンデンサが導通す
る可能性は低いため、電気二重層コンデンサの信頼性は
高くなる。

【００５３】また、請求項６記載の発明によれば、分極
性電極を保護する電気二重層コンデンサを作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である電気二重層コンデ
ンサ１の構成を説明する図である。

【図２】電気二重層コンデンサ１の製造方法を説明する
フローチャートである。

【図３】電気二重層コンデンサ１の静電容量を、従来の
電気二重層コンデンサ３と比較して示すグラフである。

【図４】電気二重層コンデンサ１の内部抵抗を、電気二
重層コンデンサ３と比較して示すグラフである。

【図５】比較例である固体電解質を分極性電極に備えた
電気二重層コンデンサの静電容量を示すグラフである。

【図６】比較例である固体電解質を分極性電極に備えた
電気二重層コンデンサの内部抵抗を示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施例である電気二重層コンデ
ンサ２の構成を説明する図である。

【図８】電気二重層コンデンサ１，２の一変形例を説明
する図である。

【図９】従来の電気二重層コンデンサの一例である電気
二重層コンデンサ３の構成について説明する図である。

【符号の説明】

１，２，３ 電気二重層コンデ
ンサ １１ セパレーター １２，２２ 分極性電極 １３ 集電極 １４ 蓄電部 １５ ゲル状高分子含有
固体電解質 １６ 保護容器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電荷蓄積用電解液と、絶縁性のセパレータ
   ーにより複数の構成部に分割されていて、内部に前記電
   荷蓄積用電解質を含有している分極性電極と、を備える
   電気二重層コンデンサにおいて、 前記分極性電極は、ゲル状高分子含有固体電解質に覆わ
   れていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の電気二重層コンデンサにお
   いて、 前記ゲル状高分子含有固体電解質は、セルロース系高分
   子を含有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の電気二重層コン
   デンサにおいて、 前記分極性電極は、前記電荷蓄積用電解質を有する電解
   液を含有することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
4. 【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電
   気二重層コンデンサにおいて、 前記分極性電極として、バインダーを１ｗｔ％以下とし
   た活性炭電極を用いることを特徴とする電気二重層コン
   デンサ。
5. 【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電
   気二重層コンデンサを、同一の保護容器内に、相互の絶
   縁を確保しつつ複数設けたことを特徴とする電気二重層
   コンデンサ。
6. 【請求項６】電解液を含む分極性電極部の周囲にゲル状
   高分子を形成することを特徴とする電気二重層コンデン
   サの製造方法。