JP2001052973A

JP2001052973A - 電気二重層コンデンサ

Info

Publication number: JP2001052973A
Application number: JP22948699A
Authority: JP
Inventors: Riza Takahata; 里咲高畠
Original assignee: Ccr Kk; Nippon Chemi Con Corp; CCR KK
Current assignee: Ccr Kk; Nippon Chemi Con Corp; CCR KK
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、電気二重層コンデンサの静電容量
の増加と、最高使用電圧の向上を図ることを目的とす
る。【解決手段】活性炭層が形成された陽極と純度９９％
以上のアルミニウムからなる陰極を、リチウムイオン導
電性の電解液を含浸させたセパレータを介して対向させ
てコンデンサ素子２を形成することを特徴とする電気二
重層コンデンサにより、静電量の増加と最高使用電圧が
向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、コンデンサに関
するものであり、特に活性炭層よりなる電極と電解液と
の界面で形成される電気二重層を利用する電気二重層コ
ンデンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気二重層コンデンサとしては、
活性炭よりなる１対の分極性電極をセパレータを介して
対向させ、そのセパレータにプロピレンカーボネートや
γ−ブチロラクトン等からなる溶媒に、テトラエチルア
ンモニウムパークレート等を溶解した電解液を含浸させ
た電気二重層コンデンサが知られている。このような電
気二重層コンデンサは、分極性電極である活性炭と電解
液との界面で形成される電気二重層を誘電体層として利
用したもので、活性炭の表面積が極めて大きいことから
他のコンデンサに比べると大きな静電容量が得られるこ
とが特徴である。

【０００３】以上のような電気二重層コンデンサにおい
て、陽極にプラス、陰極にマイナスの電圧を印加した場
合の電気二重層コンデンサ内部を模式的に描くと図１
（ａ）のようになると考えられている。すなわち、図１
（ａ）に示すように、陽極と陰極のそれぞれの電解液と
の界面で形成された電気二重層の部分で陽イオンと陰イ
オンが対向する。一方、電解液のバルク領域では陽イオ
ンと陰イオンがほぼ同数存在し、電気的には中性の状態
を維持している（そのために、図１（ａ）中ではイオン
の記載を省略した）。また、この際の電位の分布を図１
（ｂ）に示すと、陽極および陰極の電気二重層では電位
勾配を有するが、電解液のバルク領域では電位差は殆ど
有していない状態と考えられる。このような陽極と陰極
のそれぞれの電解液との界面で形成された電気二重層
は、分解電圧以下の電圧範囲であれば絶縁体として作用
する。電気二重層コンデンサはこの分解電圧以下では電
気二重層が絶縁体として作用し、電気二重層で電荷が蓄
積される現象を利用したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年では電気二重層コ
ンデンサはエネルギー蓄積装置としての用途が考えられ
ている。そのため、電気二重層コンデンサにおいても更
なる大容量化及び高耐電圧化が求められている。しかし
ながら、従来の電気二重層コンデンサでは、陽極と陰極
のそれぞれの電気二重層がコンデンサとしての役割を果
たすことになるため、電気二重層コンデンサの等価回路
としては、、図１（ｃ）に示すように２つのコンデンサ
が直列接続されたものとなる。そのために、電気二重層
コンデンサ全体の静電容量は、陽極及び陰極の部分の電
気二重層で得られる静電容量の合成容量として考えなけ
ればならない。ところで、直列に接続された二つのコン
デンサの合成容量は一般に次の式で表される。

【０００５】

【数１】Ｃ＝Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２） ‥‥（１）Ｃ：合成容量Ｃ１：一方のコンデンサの静電容量Ｃ２：他方のコンデンサの静電容量

【０００６】ここで、電気二重層コンデンサでは陽極と
陰極として同じ分極性電極を用いているので、それぞれ
の電極で得られる電気二重層はほぼ同じ静電容量とみな
すことができる（上式（１）の中でＣ１≒Ｃ２）。その
ため、電気二重層コンデンサの製品全体の合成容量はそ
れぞれの分極性電極で得られる静電容量（Ｃ１、Ｃ２）
の約半分となってしまう。

【０００７】また、電気二重層コンデンサにおいて、放
電状態の電気二重層コンデンサに徐々に充電していく際
の時間に対する陽極及び陰極でのそれぞれの電位の変化
を示すと図２（ａ）のようになると考えられる。すなわ
ち、陽極及び陰極の電気二重層でほぼ均等に蓄電され
て、図２（ａ）に示すように陽極と陰極の電気二重層が
均等の電位差を担っているものと考えられる。従って、
陽極と陰極の端子間電圧（見掛け上の電圧）は、この陽
極と陰極の電位差で表されるために、図２中の破線で示
す電圧変化となる。

【０００８】前述したように、これらの電圧はそれぞれ
の電気二重層によって保持されているものであるが、こ
のそれぞれの電気二重層に加わっている電圧が電解液の
溶媒の分解電圧を越えない範囲において、電気二重層が
絶縁体として作用する。この分解電圧は溶媒の種類によ
って決定されるものであるが、プロピオンカーボネート
等の有機溶媒よりなる電解液を用いた電気二重層コンデ
ンサでは、分解電圧（図２（ａ）中のＶ₁)が約２．５〜
３．３Ｖとなっている。この電圧を超える電圧を印加す
ると、電気二重層での絶縁状態が破壊され、陽極および
陰極の間で短絡を起こしてしまい、蓄電作用を得られな
くなる。そのため、電気二重層コンデンサの最高使用電
圧としては、溶媒の分解電圧を越えない範囲で使用する
ことが必要となる。

【０００９】従来の電気二重層コンデンサは以上のよう
な理由により静電容量を大きくすることは難しく、かつ
最高使用電圧が制限されていたものであった。

【００１０】従って、本発明は、電気二重層コンデンサ
の静電容量の増加と、最高使用電圧の向上を図ることを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、活性炭層が
形成された陽極と純度９９％以上のアルミニウムからな
る陰極を、リチウムイオン導電性の電解液を含浸させた
セパレータを介して対向させることを特徴とする電気二
重層コンデンサにより、静電量の増加と最高使用電圧の
向上がはかれることを発明した。

【００１２】このように、活性炭層が形成された陽極と
純度９９％以上のアルミニウムからなる陰極を用いると
共に、リチウムイオン導電性の電解液を使用することに
より、電気二重層コンデンサに電圧を印加した時には、
陰極と電解液との界面では陰極であるアルミニウム表面
でリチウムイオンの還元反応が発生するために、陰極表
面では常に電子の授受が発生しており、陰極側の電気二
重層は絶縁体として機能しないことになる。

【００１３】従って、コンデンサとして機能しているの
は陽極側の電気二重層だけとなり、電気二重層コンデン
サ全体として見ると、陽極側の電気二重層で得られる静
電容量がそのまま製品としての電気二重層コンデンサの
静電容量となる。すなわち、陰極として活性炭電極を用
いた場合と比較すると理論的には約２倍の静電容量を得
ることが出来る。

【００１４】また、電気二重層コンデンサの放電時に
は、陰極表面に析出したリチウムの酸化反応が発生し、
析出していた金属リチウムはリチウムイオンとなって電
解液中に放出される。このように、この構成の電気二重
層コンデンサでは複数回の充放電を繰り返した場合で
も、静電容量が減少するものではない。

【００１５】さらに、リチウムは標準電極電位が−３．
０４５Ｖと非常に卑な金属である。一方、分極性電極を
構成する活性炭の標準電極電位は、＋０．０７Ｖであ
り、リチウムに比べ貴な標準電極電位を有する。このよ
うに、炭素とリチウムでは標準状態で約３Ｖの電位差を
有している。

【００１６】そこで、放電状態の電気二重層コンデンサ
に充電していった場合の電位の変化について図２（ｂ）
に示す。充電開始直後の陰極側では、アルミニウム箔の
上にリチウムが析出し始めるが、前述したようにリチウ
ムの電位は、陽極の活性炭電極に比べ、標準電極電位が
約３Ｖ卑であるために、陰極での電位は図に示すように
約−３Ｖ近辺となり、この電位は電気二重層コンデンサ
に充電が進んだ場合でも殆ど変化がなく、ほぼ一定の電
位を示す。一方、陽極側の電位は、活性炭の標準電極電
位が＋０．０７Ｖであったため、初期状態では０Ｖ近辺
の電位を示すが、電気二重層コンデンサに充電されるに
つれ、電位が上昇していく。この挙動は、陽極側での電
気二重層において充電され、電位勾配が形成されること
を示すものであるが、印加電圧に対しての陽極側での電
位変化（充電挙動）は本発明例によるものも従来例によ
るものも違いはない。

【００１７】そのために、本発明例の電気二重層コンデ
ンサの充電時の両端子間の電位差を図２（ｂ）中に破線
で示すと、従来の電気二重層コンデンサよりも高い端子
間電圧を得られていることがわかる。電解液の溶媒が分
解電圧に達した時点（図２（ｂ）中のＢ）における陽極
と陰極の端子間電圧（Ｖ_２）としては約４．５Ｖとな
り、これがこの発明の電気二重層コンデンサの最高使用
電圧ということになる。一方、従来の電気二重層コンデ
ンサにおいては、電解液の溶媒が分解電圧に達した時点
（図２（ａ）中のＡ）における陽極と陰極の端子間電圧
（Ｖ_１）としては約２．５Ｖであったため、本発明例は
従来に比べ約２Ｖもの最高使用電圧の向上を図ることが
出来る。

【００１８】また、この発明は、アルミニウム箔の上に
活性炭層を形成した帯状の陽極と、純度９９％以上のア
ルミニウム箔よりなり拡面処理を施した陰極をセパレー
タを介して巻回し、リチウムイオン導電性の電解液を含
浸させてなることを特徴とする。

【００１９】帯状の陽極及び陰極を巻回してコンデンサ
素子を形成する場合には、帯状の陽極及び陰極としては
引張強度および巻回が可能な程度の柔軟性が必要であ
る。すなわち巻回形のコンデンサ素子では、帯状の陽極
及び陰極を曲げながら巻いて行くことになるため、陽極
および陰極は曲げたことにより破断やクラックが生じな
い程度の柔軟性が求められる。また、巻回する際には、
陽極および陰極箔が引っ張られるようにして巻回されて
いくが、この巻回により陽極及び陰極が引っ張られた際
にも、破断しない程度の引張強さが求められる。そこ
で、アルミニウム箔の上に活性炭層を形成した帯状の陽
極を用い、アルミニウム箔を陰極として用いることによ
り、アルミニウムが圧延により任意の厚さに加工できる
とともに、アルミニウム箔の引張強度および柔軟性に優
れる素材であるために、巻回型の素子の形成が可能とな
る。

【００２０】また、アルミニウム箔の厚さを調整する等
により陽極及び陰極の引張強度を強くすると、巻回時の
電極のテンションを上げることができ、電極である活性
炭層を圧縮しながら巻回することも可能となる。このよ
うに活性炭層を圧縮することにより、活性炭内部での接
触頻度が増加し、その分抵抗値も小さくなる。そのため
電気二重層コンデンサ全体の内部抵抗も低下させること
ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態につい
て詳細を説明する。図４は、この発明の電気二重層コン
デンサの内部構造を示す断面図である。但し、電気二重
層コンデンサの内部構造は、図４に限定されるものでは
ない。

【００２２】図４中の符号２はコンデンサ素子で、純度
９９％以上のアルミニウムよりなる５０μｍの厚さのア
ルミニウム箔の両面に、約４００μｍの厚さの活性炭シ
ートを貼り合わせたものを陽極とし、純度９９％以上の
アルミニウムよりなる約５０μｍのアルミニウム箔を陰
極として、セパレータである電解紙を介して巻回して形
成したものである。また、コンデンサ素子の外周は巻き
止めテープ（図示せず）によってコンデンサ素子の巻き
ほぐれが防止されている。

【００２３】陽極と陰極に用いられるアルミニウム箔の
厚さとしては、２０〜２００μｍの間より選択すること
ができるが、好ましくは３０〜８０μｍである。ここで
は５０μｍの厚さのアルミニウム箔を用いている。アル
ミニウム箔が２０μｍ以下の薄い場合には、引張強度等
の機械的強度が低下し、巻回した際にアルミニウム箔が
破断する等の不都合が発生する場合がある。一方、２０
０μｍより厚くなると、機械的強度は強くなるが、コン
デンサ素子の中で占める体積が大きくなり、コンデンサ
全体としての静電容量の低下を招くことになる。

【００２４】なお、陽極のアルミニウム箔および陰極の
アルミニウム箔には、それぞれ電極タブ３が超音波溶接
やコールドウェルド等の方法により接続されており、コ
ンデンサ素子２の巻回端面の一方より導出されている。

【００２５】アルミニウム箔に貼り付けられる活性炭シ
ートは、通常、厚さは１００〜８００μｍ、好ましくは
３００〜６００μｍである。厚さが１００μｍ未満であ
ると、コンデンサ素子の体積に占める活性炭シートの比
率が小さくなり（集電用のアルミニウム箔の占める体積
が相対的に大きくなり）、コンデンサの静電容量を大き
なものとすることができない。また、１００μｍ未満の
活性炭シートを製造することは工程上困難なものであ
り、製造工程を煩雑なものにしてしまう。また、８００
μｍを越えると、陽極箔の内部部分と陰極箔との距離が
大きなものとなるために、コンデンサの内部抵抗が極め
て上昇してしまう。その活性炭シートの種類は多様であ
るが、例えば活性炭であるカーボンブラックとバインダ
ーの役割を果たすテフロン粉末を混合し、イソプロピル
アルコールを添加して混練し、その混練したものをシー
ト状に成形し、さらに乾燥させて形成したものなどがあ
る。

【００２６】このコンデンサ素子２には、リチウムイオ
ンを有する電解液を含浸させる。電解液としては、溶媒
としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エ
チルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スル
ホラン等の溶媒を単独または混合して用いる。また、溶
質としては、六フッ化リンリチウム（LiPF₆）、四フッ
化ホウ素リチウム（LiBF₄）、塩素酸リチウム（LiCl
O₄）、六フッ化ヒ素リチウム（LiAsF₆）等のリチウム塩
を単独又は二種以上を混合して用いる。

【００２７】コンデンサ素子２に含浸された電解液はセ
パレータによって保持され、陽極および陰極と接触した
状態で保たれている。

【００２８】このコンデンサ素子２を、アルミニウムよ
りなる有底円筒状の外装ケース５に収納し、外装ケース
の開口端部に封口板６を挿入する。この封口板はフェノ
ール樹脂よりなる硬質板７とゴム８を貼り合わせたもの
で、硬質板７がコンデンサの内側になるように使用す
る。また、封口板６には、封口板の表裏を貫通するよう
にリベット９が埋設されており、リベットの内部側の端
面には、コンデンサ素子から導出された電極タブ３が溶
接等の手段により接続されている。また、リベットの外
部側には外部端子１０が接続されている。

【００２９】そして、外装ケース５にコンデンサ素子２
および封口板６を収納した後に、外装ケース５の側面及
び開口端部をカーリングして封口板６の固定を行い、電
気二重層コンデンサの密封を図る。

【００３０】

【実施例】この発明の実施例についてより具体的に説明
する。

【００３１】この発明の電気二重層コンデンサとして、
外径寸法φ３０ｍｍ、高さ寸法４５ｍｍの製品を作成し
た。また、同じ大きさの従来の電気二重層コンデンサ
（陽極、陰極ともにアルミニウム箔に活性炭シートを貼
付したもの）を作成した。

【００３２】この二つの電気二重層コンデンサの、静電
容量について充電電流０．１ｍＡ／ｃｍ²、０．３ｍＡ
／ｃｍ²として電気二重層コンデンサに充電を行った。
その放電特性より静電容量を測定した。その結果を表１
に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示した通り、本発明による電気二重
層コンデンサは、従来の電気二重層コンデンサに比べ大
きな静電容量が得られている。本発明例が従来例よりも
２倍以上の静電容量が得られている理由としては，前述
したメカニズムによる静電容量の増加に加え、本発明例
は従来例よりも陰極箔として薄いものを使用しているた
めに、外装ケースに収納できる箔長を陽極箔、陰極箔と
もに長くすることができ、さらなる静電容量の増加を図
ることができたためである。

【００３５】さらに、これら電気二重層コンデンサに対
し端子間電圧が所定の電圧になるまでの充放電を繰り返
した結果、従来例の電気二重層コンデンサでは３．０Ｖ
を越える電圧では、充放電を行う度に静電容量が減少し
ていくことが確認された。これは、３．０Ｖを越える電
圧を印加した場合には、溶媒の電気分解反応等の不可逆
反応が発生しているためと推察される。そのため、従来
例の電気二重層コンデンサの最高使用電圧は、２．５Ｖ
程度であることが判った。一方、本発明例による電気二
重層コンデンサで、充放電を繰り返すことにより、静電
容量の減少が発生するのは、５．０Ｖを印加した場合で
あった。そのため、本発明例の電気二重層コンデンサの
最高使用電圧は４．５Ｖ程度であることが判った。

【００３６】また、これらの電気二重層コンデンサの放
電特性を図３として示す。図３は本発明例と従来例の電
気二重層コンデンサを、０．５ｍＡ／ｃｍ²の電流密度
による定電流放電を行った際の時間に対する端子間電圧
の変化を示したものである。この結果よりわかるよう
に、本発明例の電気二重層コンデンサでは、４．０Ｖ程
度から徐々に電圧が低下し、電圧が約３Ｖ程度となった
時点より、急速に電圧が低下する。一方、従来例の電気
二重層コンデンサでは、２．５Ｖ程度から徐々に電圧が
低下し、０Ｖまで放電する。この際の放電に要する時間
は従来例による電気二重層コンデンサの方が長いもの
の、本発明例の電気二重層コンデンサは従来例の電気二
重層コンデンサに比べ高い電圧を維持している。

【００３７】

【発明の効果】この発明の電気二重層コンデンサによる
と、陰極にアルミニウム箔を用いるとともに、リチウム
イオン導電性の電解液を用いたことにより、従来の電気
二重層コンデンサに比べ大きな静電容量を得ることがで
きるとともに、最高使用電圧の向上を図ることができ
る。そのため、エネルギー蓄積部品として、体積当たり
のエネルギー密度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気二重層コンデンサの内部の状態を示す図面
であり、（ａ）は模式図、（ｂ）は電位分布図、（ｃ）
は等価回路図である。

【図２】電気二重層コンデンサの充電特性を示す図面で
あり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本発明例の電気二重層
コンデンサを示すグラフである。

【図３】電気二重層コンデンサの放電特性を示す図面で
ある。

【図４】電気二重層コンデンサの内部構造を示す図面で
ある。

【符号の説明】

２コンデンサ素子３電極タブ５外装ケース６封口板７硬質板８ゴム９リベット１０外部端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性炭層が形成された陽極と純度９９％
以上のアルミニウムからなる陰極とを、リチウムイオン
導電性の電解質を含浸させたセパレータを介して対向配
置することを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【請求項２】アルミニウム箔の上に活性炭層を形成し
た帯状の陽極と純度９９％以上のアルミニウム箔よりな
り拡面処理を施した陰極とをセパレータを介して巻回
し、リチウムイオン導電性の電解液を含浸させることを
特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項３】陽極および陰極に使用されるアルミニウ
ム箔の厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする
請求項１又は２記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項４】活性炭層の厚さが１００〜８００μｍで
あることを特徴とする請求項１又は２記載の電気二重層
コンデンサ。
【請求項５】最高使用電圧が４．５Ｖであることを特
徴とする請求項１又は２記載の電気二重層コンデンサ。