JP2000277396A

JP2000277396A - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP2000277396A
Application number: JP8644799A
Authority: JP
Inventors: Shinya Matsuno; 真也松野; Yuichi Hori; 雄一堀; Naotomo Sotoshiro; 直朋外城
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】コンデンサとしての静電容量が高く、かつ配線
基板等へ実装する際の実装密度を高めることができる電
気二重層コンデンサを提供する。【解決手段】活性炭と、該活性炭以外の炭化によって形
成される炭素質材料からなる活性炭質構造体に電解液を
含浸した分極性電極２からなる一対の電極と、該電極間
に介在する板状のセパレータ３と、分極性電極２とセパ
レータ３を収納した柱状のガスケット４と、を具備する
電気二重層コンデンサ１において、柱状のガスケット４
の横断面を略Ｌ字形状、略コ字形状、略Ｔ字形状のいず
れかとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バックアップ電
源、車両用電源、補助電源等に用いられる小型大容量の
コンデンサとして一般に広く適用し得る電気二重層コン
デンサに関するもので、とりわけ大きな静電容量を有す
る電気二重層コンデンサの分極性電極の改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】電気二重層コンデンサは、電極と電解液の
界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利
用したコンデンサであり、従来のコンデンサに比較して
大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が
可能であることから、その応用が期待されている。

【０００３】また、かかる電気二重層コンデンサは、コ
ンデンサと電池の両方の機能を有することから、小型の
メモリーバックアップ電源や自動車の駆動源をはじめと
する大容量のモータ等の補助電源に適用される等、エレ
クトロニクス分野の発展と共に急速にその需要が伸びて
いる。

【０００４】このような電気二重層コンデンサは、静電
容量を高めることが大きな課題であり、さまざまな観点
からの高容量化が試みられており、例えば、特開平３−
１０１２０９号公報では、活性炭を含む複数個の小型焼
結体を同一平面内に並列に並べ、該焼結体間に活性炭粉
末と電解液とからなるペースト状の混練物を充填するこ
とによって内部抵抗が低減でき、コンデンサの静電容量
が向上できることが開示されている。

【０００５】一方、近年、電子部品の小型化が図られ、
例えば、各々の電子部品の小型化や、多種類の電子部品
を搭載した配線基板等において、実装される電子部品の
実装密度を高めることが要求されている。

【０００６】例えば、特開平２−８７５１１号公報によ
れば、コンデンサ素子の形状を矩形状とすることによ
り、プリント基板の実装密度を高めることができること
が開示されている。

【０００７】また、特開昭６３−１４８５９号公報に開
示されるように、活性炭と有機樹脂および導電性カーボ
ンとからなる２枚のシート状分極性電極と、該分極性電
極間のシート状セパレータと、前記分極性電極の上下面
のシート状集電体との積層体をロール状に巻き、これに
電解液を含浸させた、いわゆる捲回型電気二重層コンデ
ンサも知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−１０１２０９号公報によれば、前記小型焼結体を同
一平面内に並べるために分極性電極の面積はコンデンサ
の断面積に依存、制限されるものであった。また、前記
焼結体間を活性炭粉末と電解液とからなるペースト状の
混練物にて結合するために、焼結体間の強度が低く、分
極性電極全体の機械的信頼性は低いものであった。

【０００９】また、上記コンデンサ、特開昭６３−１４
８５９号公報の捲回型の電気二重層コンデンサおよび特
開平２−８７５１１号公報のコンデンサのいずれでも分
極性電極とセパレータを収納するガスケットの形状は円
筒形、ボタン型あるいは直方体形状のいずれかに限定さ
れるものであり、またそのサイズも他の電子部品に比較
して比較的大きいものであることから、様々な形状の他
の電子部品とともに実装基板等に実装する場合には、デ
ッドスペースが多く生じてしまい、実装密度を向上させ
ることに限界があった。

【００１０】本発明は、前記課題を解決せんとしてなさ
れたもので、その目的は、高い静電容量を有するととも
に、配線基板等へ実装する際の実装密度を高めることが
できる電気二重層コンデンサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は前記課題に
対して鋭意研究の結果、分極性電極、セパレータおよび
それらを収納するガスケット形状を配線基板等へ実装す
る部分のスペースの形状に合わせることにより、分極性
電極の体積が増大し、コンデンサの静電容量を高めるこ
とができるとともに、配線基板等の実装密度を高めるこ
とができることを知見した。

【００１２】すなわち、本発明の電気二重層コンデンサ
は、活性炭と、該活性炭以外の炭化によって形成される
炭素質材料からなる活性炭質構造体に電解液を含浸した
分極性電極からなる一対の板状の電極と、該電極間に介
在する板状のセパレータと、前記分極性電極とセパレー
タを収納した柱状のガスケットと、を具備するものであ
って、前記柱状のガスケットの横断面が略Ｌ字形状、略
コ字形状および略Ｔ字形状のいずれかであることを特徴
とするものである。

【００１３】また、前記分極性電極の厚みは、コンデン
サの静電容量を高める上で、１．５ｍｍ以下であること
が望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の電気二重層コンデンサの
第一の実施態様をその一部切り欠き斜視図である図１に
基づいて説明する。図１によれば、電気二重層コンデン
サ１は、電解液を含浸した２枚の板状活性炭質電極（以
下、電極と略す。）２間に絶縁性で板状の多孔質セパレ
ータ（以下、セパレータと略す。）３が配設され、柱状
のガスケット４内に収納されている。また、電極２，２
のセパレータ３との接触面以外の両表面には集電体５が
形成され、ガスケット４内に収納されている。

【００１５】電極２を構成する活性炭質構造体は、高い
比表面積を有する活性炭粒子と、該活性炭粒子を結合す
るための結合剤として配合され、炭化処理を施された炭
素成分とからなるものである。

【００１６】また、コンデンサの高静電容量を維持しつ
つ、構造体として必要な強度を得るためには、電極２の
比表面積が１０００〜１８００ｍ²／ｇであることが望
ましい。

【００１７】なお、結合剤として添加される炭素成分
は、活性炭粒子間に存在するが、各活性炭層中に占める
割合が、５〜５０重量％であることが望ましく、これに
より活性炭粒子間の焼結性および結合性を高めることが
できる。

【００１８】また、電極２は、板状であることが望まし
く、また、前記板状活性炭質電極２は、コンデンサ製造
時の取り扱いや使用時の振動、衝撃等に耐えうる機械的
な信頼性の点でＪＩＳＲ１６０１に準じた室温における
３点曲げ強度が３００ｇｆ／ｍｍ²以上、特に６００ｇ
ｆ／ｍｍ²以上であることが望ましい。

【００１９】さらに、電極２，２の厚みは、コンデンサ
の集電体間の距離が狭くなるほど静電容量が増加するこ
とから、１．５ｍｍ以下、特に１．０ｍｍ以下、さらに
０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

【００２０】電極２中に含浸される電解液としては、硫
酸や硝酸等の水溶液や、プロピレンカーボネート、γ−
ブチロラクトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、エチ
レンカーボネート、スルホラン、３−メチルスルホラン
等の有機溶媒と４級アンモニウム塩、４級スルホニウム
塩、４級ホスホニウム塩等の電解質を組み合わせた有機
溶液が使用可能である。

【００２１】なお、セパレータ３は、パルプやポリエチ
レン、ポリプロピレン等の有機フィルムまたはガラス繊
維不織布等およびセラミックス等により形成され、電極
２間を絶縁するために形成されるものであるが、電極２
内に含有される前記電解液中のイオンを透過させること
ができる多孔質体により形成される。

【００２２】集電体５は、導電性を有する導電性ブチル
ゴム、アルミ箔、アルミのプラズマ溶射等により形成さ
れ、電極２との間で電荷をやり取りすることができる。

【００２３】さらに、ガスケット４は、電極２，２に含
浸される電解液の外部への漏れを防止するとともに、電
極２，２、セパレータ３、集電体５，５を固定、保護す
るためのものであり、非導電性の材料、例えば、ポリプ
ロピレン、アクリル等のプラスチックや、ガラス、セラ
ミックス等により形成される。

【００２４】なお、本発明では、ガスケット４は電極
２，２と、セパレータ３と、集電体５，５との積層体を
密閉するように、すなわち該積層体の外周および集電体
５，５表面に形成されるものの意である。

【００２５】電気二重層コンデンサにおいては、集電体
が表面に露出するものもあるが、配線基板等へ実装され
る等の場合には、他の電子部品とのショートを避けるた
めにガスケット内に収納される必要がある。

【００２６】図１によれば、ガスケット４は中空の柱状
体からなり、その横断面形状は略Ｌ字型となっている。
また、ガスケット４内に収納される電極２，２、セパレ
ータ３および集電体５，５はいずれも板状体からなり、
ガスケット４の縦断面方向に平行に配設、積層されてお
り、その断面が略Ｌ字形状である、換言すれば、いずれ
も屈曲部を１つ有する、すなわち、板状体が同一平面内
になく、三次元的に形成されている。

【００２７】さらに、集電体５，５には端子（図示せ
ず）が接続し、該端子はガスケット４を介してガスケッ
ト４の外部に突出するように配設されており、配線等に
接続されることによって他の電子部品等と接続される。

【００２８】図１の電気二重層コンデンサ１によれば、
ガスケット４の形状が柱状であり、その横断面が概略Ｌ
字形状となっていることから、図２の配線基板への実装
例に示すように、例えば、図２（ａ）の１つの実施例の
平面図に示すように、矩形状の他の電子部品に近接して
電気二重層コンデンサを搭載した場合に、配線基板上の
容積を有効に活用することができ、また、図２（ｂ）の
他の実施例の断面図に示すように配線基板上の他の電子
部品を覆うように形成することもできる。

【００２９】さらに、図２（ｃ）のさらに他の実施例の
断面図に示すように配線基板の上面から側面に渡って配
置することもできることから、配線基板上の電子部品の
実装密度が向上することが可能であるとともに、電気二
重層コンデンサにおいては、少ないスペースで電極２の
面積を増加させることができ、静電容量を増大させるこ
とができる。

【００３０】また、パワー基板等の発熱する電子部品が
搭載される基板上に電気二重層コンデンサを実装する際
には、図２（ｃ）のように配置することにより熱の影響
を低減することができる。

【００３１】さらに、図１の形状によれば、配線基板等
への実装密度を高めるために柱状のガスケットの高さｈ
を、横断面の略Ｌ字形状の幅ｗに対して大きくする場
合、後述する第二の実施態様に比べて電極２の集電体５
との接触面積を高めることができることから放電電流密
度を小さくすることができる結果、電極２の内部抵抗値
を低めることができる。また、電極２とセパレータ３間
に生じる界面抵抗をも小さくでき、さらに内部抵抗を小
さくすることができる。

【００３２】図１によれば、板状の電極２，２、セパレ
ータ３および集電体５，５は柱状のガスケット４の縦断
面に平行に配設され、かつ板状の電極２，２、セパレー
タ３および集電体５，５の断面が略Ｌ字形状であった
が、本発明はこれに限られるものではなく、電極、セパ
レータおよび集電体を柱状のガスケット４の横断面に平
行に配設する、すなわち図１の電極２，２、セパレータ
３および集電体５，５と垂直な方向に配設し、それぞれ
の板状体を同一平面内に形成するとともに、その主平面
を略Ｌ字形状とすることもできる。

【００３３】そこで、図３に本発明の第二の実施態様を
示す。図３によれば、ガスケット４は図１と同様な構成
であるが、図３によれば、板状の電極７，７、セパレー
タ８および集電体９，９はいずれも板状体であり、また
その形状は略Ｌ字形状となっている。

【００３４】図１の電気二重層コンデンサの電極２、２
は、電極面積が異なるためにコンデンサの静電容量は電
極面積の小さいほうに制限され、電極２，２が発生でき
る静電容量を同じとするためには各々の電極厚みを異な
らせる必要があり、製造上難しいものであったが、図３
のコンデンサ６によれば、一対の電極７、７の面積を同
じにすることができることから、電極７，７の静電容量
を容易に同じ値にすることができるとともに、図２と同
様な実装を行うことができる。

【００３５】また、本発明における略Ｌ字形状とは、図
４（ａ）に示すような角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆが９０
°で辺ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、ＤＥ、ＥＦ、ＦＡが直線であ
るものの他に、（ｂ）頂点Ｂ、ＥにＲをつけたもの、
（ｃ）頂点Ｄ、Ｅ、Ｆ間が１つの曲線、特に円弧である
もの、（ｄ）頂点Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ａ間が１つの曲線、
特に円弧であるもの、（ｅ）頂点Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ａ間
が２つの直線であるもの、（ｆ）頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、
Ｅ、ＦにそれぞれＲをつけたもの等が挙げられ、また
（ｇ）辺ＤＥ、ＥＦの長さが異なるもの、（ｈ）辺Ａ
Ｆ、ＣＤの長さが異なるものであってもよく、上記条件
の組み合わせであってもよい。さらに、上記以外でも隣
接する電子部品の形状に合わせた形状であってもよい。

【００３６】なお、上記図４（ｂ）における曲率半径Ｒ
は、上述した第一の実施態様における電極２，２、セパ
レータ３および集電体５，５の屈曲部の形成の容易性お
よび実装密度の向上の点で５〜５０ｍｍであることが望
ましい。

【００３７】また、図１、３、４によれば、ガスケット
４の横断面は略Ｌ字形状であったが、本発明はこれに限
られるものではなく、例えば、ガスケット４の横断面が
略コ字形状であってもよい。

【００３８】そこで、図５に本発明の第三の実施態様を
示す概略斜視図を示す。図５によれば、電気二重層コン
デンサ１１は、ガスケット１４の横断面が略コ字形状で
あり、かつ電極１２、１２とセパレータ１３は、ガスケ
ット１４の縦断面と垂直な方向に配設され、電極１２、
１２とセパレータ１３の断面は略コ字形状となってい
る。そして、電極１２，１２のセパレータ１３接着面以
外の両表面には集電体１５、１５が配設されている。

【００３９】これにより、図７の配線基板への実装例に
示すように、例えば、図７（ａ）の１つの実施例の平面
図に示すように、矩形状の他の電子部品に近接して電気
二重層コンデンサを搭載した場合に、配線基板上の容積
を有効に活用することができ、また、図７（ｂ）の他の
実施例の断面図に示すように配線基板上の部品を覆うよ
うに形成することもできる。さらに、図７（ｃ）のさら
に他の実施例の断面図に示すように配線基板の側面に渡
って配置することもできることから、配線基板の実装密
度が向上することが可能であるとともに、電気二重層コ
ンデンサにおいては、少ないスペースで電極２の面積を
増加させることができ、静電容量を増大させることがで
きる。

【００４０】また、図７（ｂ）の場合、コンデンサを椀
状に形成して他の電子部品の封止としての機能を付与す
ることもできる。

【００４１】なお、本発明によれば、図６に示すように
ガスケット１６に対する電極１７，１７、セパレータ１
８および集電体１９，１９を図５の電極１２、１２およ
びセパレータ１８と垂直な方向、すなわち二次元的に形
成し、ガスケット１６の横断面と平行に配設するととも
に、その主平面を概略コ字形状とすることもできる。

【００４２】また、本発明における略コ字形状とは、図
８（ａ）に示すような角Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、
Ｎが９０°で辺ＧＨ、ＨＩ、ＩＪ、ＪＫ、ＫＬ、ＬＭ、
ＭＮ、ＮＧが直線であるものの他に、（ｂ）辺ＨＩの長
さが辺ＮＧの長さより長いもの、（ｃ）頂点Ｇ、Ｈ、
Ｋ、ＬにＲをつけたもの、（ｄ）頂点Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ間
が１つの曲線、特に円弧であるもの、（ｅ）頂点Ｉ、
Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ間が１つの曲線、特に円弧であるも
の、（ｆ）頂点Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ間が２つの直線
であるもの、（ｇ）頂点Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、
ＮにそれぞれＲをつけたもの等が挙げられ、また上記条
件の組み合わせであってもよい。

【００４３】さらに、上記以外でも隣接する電子部品の
形状に合わせた形状であってもよい。また、（ｈ）に示
すように椀型とすることもできる。

【００４４】さらに、本発明によれば、ガスケットの横
断面形状がＴ字型であってもよい。そこで、図９に本発
明の第四の実施態様を示す。図９によれば、ガスケット
２３は横断面が略Ｔ字形状であり、また電極２１，２
１、セパレータ２２および集電体２４，２４がガスケッ
ト２３の横断面に平行に配設され、かつその主平面が略
Ｔ字形状となっている。

【００４５】これにより、図１０の配線基板への実施例
に示すように、他の電子部品間に配置し、実装密度を高
めることができる。また、板状のガスケットを有する２
つの電気二重層コンデンサを組み合わせて略Ｔ字形状と
することもでき、また前記第一の実施態様の略Ｌ字形状
の電気二重層コンデンサ１を２つ貼り合わせて略Ｔ字形
状とすることもできるが、図９の電気二重層コンデンサ
２０の方が電極面積を増加させ、静電容量を高めること
ができる。

【００４６】なお、本発明における略Ｔ字形状について
は、上述したように各頂点にＲをつける、各辺の長さが
異なる等であってもよく、実装部のスペースの形状に合
わせることができる。

【００４７】上記のような電気二重層コンデンサを作製
する方法の一例について説明する。まず、分極性電極を
形成する固形状活性炭質構造体（以下、活性炭構造体と
略す。）を作製する。

【００４８】炭素原料としては、ヤシ殻、木材、樹脂等
の炭素質原料およびそれに対して薬品賦活やガス賦活に
より作製される活性炭が使用可能であり、中でも、活性
炭が、さらにコストと細孔容積が大きい点でヤシ殻系活
性炭が好適である。また、それ以外にもカーボンブラッ
ク、カーボンファイバー、石炭等が使用できる。

【００４９】また、その形状は、球状、フレーク状、突
起状、繊維状あるいは不定形があり、特に限定するもの
ではなく、また、粒状、顆粒状、繊維状のいずれであっ
てもよく、さらに、その粒径は５〜５０μｍであること
が望ましい。

【００５０】上記の各活性炭原料に所定量の有機バイン
ダを焼成後の炭素成分量が５〜５０重量％となる量で添
加、混合する。有機バインダとしては、フェノール、テ
フロン（登録商標）、コールタール、ポリビニルブチル
アルコール（ＰＶＢ）、ポリビニルホルマール（ＰＶＦ
Ｍ）等のポリビニルアセタール、酢酸ビニル等の公知の
有機バインダが挙げられ、とりわけ成形性および得られ
る固形状活性炭質構造体の強度の点から、ポリビニルブ
チルアルコール（ＰＶＢ）が最も望ましい。

【００５１】得られた成形用原料をそれぞれプレス成形
法、ドクターブレード法、押し出し成形法、カレンダー
ロール法、ロール成形法等の公知の成形手段により所定
形状に成形して板状体を作製する。成形方法としては、
容易に屈曲させたり、所望の形状にカットできるテープ
状の成形が容易であるとともに、成形体の密度が高くで
きるロール成形が好適である。

【００５２】また、前記テープ状成形体複数枚を、６０
〜１５０℃、１００〜５００ｋｇ／ｃｍ²にて熱圧着し
一体化するか、前記テープ間に密着液や接着剤等を塗布
し接着することにより、所望の厚みのテープとすること
ができ、かつ、後述の熱処理における層間剥離を防止す
ることができる。

【００５３】得られた所望の厚みのテープ複数枚を所望
の形状に屈曲および／またはカットした後、前記複数枚
の成形体それぞれを非酸化性雰囲気中、６００〜１２０
０℃、特に７００〜９００℃で炭化処理して有機バイン
ダ成分を炭化させるとともに、活性炭間を焼結一体化さ
せる。

【００５４】焼成温度を上記範囲に限定した理由は、６
００℃よりも低いと粒子間の焼結が不十分で構造体の強
度が低下するためであり、逆に１２００℃よりも高い
と、焼結が進行しすぎてしまい、所望の細孔を形成する
ことが困難であり、コンデンサの静電容量が低下するた
めである。

【００５５】さらに、上記焼結体に対して大気賦活ある
いはアルカリ賦活処理を施すこともできる。これによ
り、炭化処理により焼結が進行し減少した細孔を酸化に
より再度増加させることができ、コンデンサの容量を高
めることができる。

【００５６】次に、前記活性炭質構造体と同じように屈
曲または所定の形状をしたセパレータを介して前記活性
炭構造体を積層し、前記活性炭質構造体と前記セパレー
タとの積層体を所定の形状のガスケット内に収納すると
ともに、該活性炭質構造体に電解液を含浸させ、電極を
形成する。そして、該積層体について上述した所定の面
に集電体を形成するための成分を含むペーストを塗布し
て焼成したり、板状の集電体５を貼り付けたり、または
溶射等により集電体５を形成した後、することにより電
気二重層コンデンサを作製できる。

【００５７】また、他の方法として、前記活性炭質構造
体を作製するための成形体とセパレータとを積層した状
態で、炭化処理することも可能であるが、この場合、前
記セパレータは、炭化処理により変質しない耐熱性を有
する必要があり、この方法を用いることにより、屈曲お
よび／またはカットの工程が容易になるとともに、製造
時に活性炭構造体が破損する危険性が低くなる。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の電気二重
層コンデンサによれば、ガスケットの形状を中空の柱状
体であって、かつその横断面を略Ｌ字形状、略コ字形
状、略Ｔ字形状のいずれかとすることにより、配線基板
等へ実装する際の実装密度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気二重層コンデンサの第一の実施態
様を示す一部切り欠き斜視図である。

【図２】図１の電気二重層コンデンサの配線基板への実
装例を示す図である。

【図３】本発明の電気二重層コンデンサの第二の実施態
様を示す一部切り欠き概略斜視図である。

【図４】図１または図３の電気二重層コンデンサの例を
示す図である。

【図５】本発明の電気二重層コンデンサの第三の実施態
様を示す一部切り欠き概略斜視図である。

【図６】本発明の電気二重層コンデンサの第四の実施態
様を示す一部切り欠き概略斜視図である。

【図７】図５または６の電気二重層コンデンサの配線基
板への実装例を示す図である。

【図８】図５または図６の電気二重層コンデンサの例を
示す図である。

【図９】本発明の電気二重層コンデンサの第五の実施態
様を示す一部切り欠き概略斜視図である。

【図１０】図９の電気二重層コンデンサの配線基板への
実装例を示す図である。

【符号の説明】

１電気二重層コンデンサ２電極３多孔質セパレータ４ガスケット５集電体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性炭と、該活性炭以外の炭化によって形
成される炭素質材料からなる活性炭質構造体に電解液を
含浸した分極性電極からなる一対の板状の電極と、該電
極間に介在する板状のセパレータと、前記分極性電極と
セパレータを収納した柱状のガスケットと、を具備する
電気二重層コンデンサにおいて、前記柱状のガスケット
の横断面が略Ｌ字形状、略コ字形状および略Ｔ字形状の
いずれかであることを特徴とする電気二重層コンデン
サ。
【請求項２】前記分極性電極の厚みが、１．５ｍｍ以下
であることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コン
デンサ。