JP2001284187A

JP2001284187A - 電気二重層コンデンサ及び電気二重層コンデンサの製造方法

Info

Publication number: JP2001284187A
Application number: JP2000102337A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Yamagishi; 洋一山岸; Tadahisa Toyama; 忠久当山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】仕様電圧が高く、単位重量当たりの静電容量
の向上と内部抵抗の低下が図られた電気二重層コンデン
サ及び電気二重層コンデンサの製造方法を提供するこ
と。【解決手段】絶縁体からなるセパレータ２を挟んで設
けられた炭素材料からなる分極性電極３，４と、前記セ
パレータ２及び分極性電極３，４を収納し、内部を電解
液８で満たしたパッケージケース７とを備えた電気二重
層コンデンサ１を製造する電気二重層コンデンサの製造
方法であって、前記分極性電極部３，４間に電圧を印加
して前記分極性電極部３，４を電気的賦活又は充電した
後、前記分極性電極３，４間に前記電圧とは逆の電圧を
印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素材料を賦活し
て製造された分極性電極を備えた電気二重層コンデンサ
及び電気二重層コンデンサの製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電気二重層コンデンサ（電気二重層キャ
パシタ）は、近年、表面積の大きな活性炭からなる分極
性電極を用いることにより大容量化がなされ、新しい用
途が見い出されている。一例としては，ＤＲＡＭ等の半
導体素子のバックアップ用電源としての用途や鉛蓄電池
との組み合わせにより自動車のスタータモータ駆動用電
源を構成する用途や、太陽電池との組み合わせによる補
助電源としての用途等が挙げられる。

【０００３】電気二重層コンデンサは、絶縁体となるセ
パレータと、このセパレータを介して対向配置されてい
る分極性電極となる炭素材料シートと、この炭素材料シ
ートの面上にそれぞれ設けられていて外部接続用配線に
接続された集電極と、セパレータ、炭素材料シート及び
集電極を被覆するパッケージケースと、パッケージケー
スにより封止されている電解液とにより構成されてい
る。そして、集電極に電圧を印加することにより、電解
液中の電離している正、負イオンが電荷として、該分極
性電極の多孔表面近傍に局在化される。この電気二重層
コンデンサの分極性電極の炭素材料シートとしては、活
性炭が適用され、この活性炭は微細な孔を多数内含する
ことで大きい比表面積を持つ多孔性の構造となってい
る。また、活性炭は炭素化合物からなる炭素材料を賦活
して多孔質化することにより得られ、十分大きい静電容
量を持つ活性炭を得るために様々な手法の炭素材料の賦
活方法が研究されている。

【０００４】そこで、大きい静電容量を持つ活性炭を得
る方法として、炭素材料シートを賦活する方法が用いら
れ、その１つとして電気による賦活方法が用いられてい
る。この電気的賦活方法では、パッケージケース内の炭
素材料シートに電解液を含浸させた後、これら集電極に
所定の電圧を印加し、炭素材料シートに電界を印加する
ことにより炭素材料シートの賦活を行い炭素材料シート
における単位重量当たりの静電容量を向上して、パッケ
ージケースを封止して、そのまま電気二重層コンデンサ
として完成させている。ここで賦活電圧は、正極となる
炭素材料シート及び負極となる炭素材料シートともにほ
ぼ同程度の電圧に分圧されているが、シートに印加され
る電圧値はある程度高くないと賦活の進行が極端に遅
く、印加時間がある程度長い方がより大きい静電容量の
電気二重層コンデンサが得られることが確認されてい
る。ところで、活性炭は、水酸基、カルボキシル基等の
官能基を多数備え、賦活のための高電界により電解液成
分と反応し、電解液の分解を引き起こし、また不要な気
体、液体、固体の反応物が生成し、耐電圧の低下、静電
容量の低下、抵抗の上昇などの問題が生じる。このた
め、従来の電気二重層コンデンサでは、製品仕様を低
い耐電圧に設定するか、パッケージケースを封止する
前に、製品仕様よりも高い電界を形成するための電圧を
印加し賦活するとともに、初期に発生する上記活性炭と
電解液成分との反応を強制的に行って不要な生成反応物
を除去後、電解液の交換を行ってから封止し製品とする
方法が採られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記電気二重
層コンデンサにおいて、活性炭と電解液の反応を防ぐた
めに採るの方法では、製品化された電気二重層コンデ
ンサの仕様電圧が低くなりエネルギー密度が低くなると
いう問題があった。またの方法では、不純物が存在す
ると電界イオンが活性炭細孔内で固定化したり、炭素材
料シート内における反応生成物の残留などで十分な除去
が行えず、静電容量の低下、抵抗の上昇等が生じるとい
う問題があった。本発明は、上記事情に鑑みてなされた
もので、仕様電圧が高く、単位重量当たりの静電容量の
向上と内部抵抗の低下が図られた電気二重層コンデンサ
及び電気二重層コンデンサの製造方法を提供することで
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すよう
に、絶縁体からなるセパレータ２を挟んで対向して設け
られた炭素材料からなる分極性電極（例えば、分極性電
極部３，４）と、前記セパレータ２及び分極性電極を収
納し、内部を電解液８で満たした収納容器（例えば、パ
ッケージケース７）とを備えた電気二重層コンデンサ１
を製造する電気二重層コンデンサの製造方法であって、
電解液で満たされた未賦活の炭素材料からなる分極性電
極を電気的賦活するため又は電解液で満たされた活性炭
からなる分極性電極を充電するために、前記分極性電極
に所定の電圧（正バイアス電圧）を印加する第１電圧印
加工程と、前記第１電圧印加工程に前記分極性電極に前
記第１電圧印加工程の前記所定の電圧とは逆電界の電圧
（逆バイアス電圧）を印加する第２電圧印加工程と、か
らなることを特徴とする。

【０００７】前記賦活は、例えば、電気賦活や電気以外
のアルカリ賦活や水蒸気賦活である。そして、電気賦活
おいては賦活中に前記分極性電極に電圧が印加され、ア
ルカリ賦活や水蒸気賦活では、賦活中に電圧は印加され
ない。

【０００８】請求項１記載の発明によれば、前記電気二
重層コンデンサの製造において、第２電圧印加工程で、
電気賦活の電界または充電のために第１電圧印加工程で
分極性電極に印加された電界とは逆電界を分極性電極に
印加するので、賦活処理又は充電処理により分極性電極
に生じた不要反応生成物のイオンの固定化などによる上
記問題が解消され、前記電気二重層コンデンサの単位重
量当たりの静電容量を増加させることができるとともに
内部抵抗を低下させることができる。これにより単位重
量当たりの静電容量の向上が図られるとともに内部抵抗
の低減が図られた電気二重層コンデンサを製造すること
ができる。また、電気賦活以外の賦活を行った場合で
も、充電のために最初に第１電圧を印加した際に電気賦
活と同様の問題が生じる可能性があり、このような場合
にも上述したような電気賦活の場合と同様の効果を得る
ことができる。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電
気二重層コンデンサの製造方法において、電解液は、第
１電圧印加工程中から前記電気二重層コンデンサの製造
終了までの間で、清浄化または交換されることを特徴と
する。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果を得ることができるとともに、前
記電解液を、第１電圧印加工程で前記分極性電極の賦活
中若しくは前記充電中から前記電気二重層コンデンサの
製造終了までの間、つまり収納容器（例えば、パッケー
ジケース７）の封止に至るまでの間に、清浄化または交
換するので、反応生成物を含有する等して劣化した電解
液を清浄化または交換することにより効率よく電気二重
層コンデンサの単位重量当たりの静電容量を増やしたり
内部抵抗を低減することができる。よって、単位重量当
たりの静電容量が大きく内部抵抗が少ない電気二重層コ
ンデンサを製造することができる。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の電気二重層コンデンサの製造方法によって製造さ
れることを特徴とする。請求項３記載の発明によれば、
賦活処理や賦活後に印加される電圧による劣化が抑えら
れ、単位重量当たりの静電容量の向上と内部抵抗の低下
を図ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。まず、構成を説明する。図
１に示すように、本発明に係る電気二重層コンデンサの
構造は、絶縁体からなるセパレータ２と、セパレータ２
を挟んで配置された２枚の分極性電極部３，４と、分極
性電極部３，４の外側に配置されそれぞれ分極性電極部
３，４に当接する集電極部５，６と、これらセパレータ
２、分極性電極部（分極性電極）３，４及び集電極部
（集電極）５，６が収容されたパッケージケース７と、
パッケージ内部に充填された電解液８とを備える。

【００１３】セパレータ２は紙あるいは合成樹脂製の多
孔質絶縁膜からなる。分極性電極部３，４は活性炭また
は未賦活の炭素化合物からなる粒状の炭素材料をポリテ
トラフルオロエチレン（PTFE）等の結着剤でシート状に
練り固められたものであり、パッケージケース７内で電
解液８に浸されて、電解液８が含浸した状態している。
集電極部５，６は、それぞれＡｌ箔などで形成されてセ
パレータ２を挟む分極性電極部３，４を外側から挟み、
それぞれ一端部がパッケージケース７の外方に突出し
て、パッケージケース７外部に設けられ可変電圧の電源
９にスイッチ１０を介して接続された状態となってい
る。パッケージケース７は、この実施の形態では直径２
０ｍｍの特殊用途用ステンレス鋼板（SUS：Special Use
Stainless steel）で構成されており、内部には、テトラエ
チルアンモニウムテトラフルオロホ゛ーレート塩を含むスルフォラン溶液から
なる電解液が充填されている。そして、セパレータ２、
分極性電極部３，４及び集電極部５，６を被覆してい
る。

【００１４】電源９は、分極性電極部３，４間に互いに
逆方向の電界を発生させるようにスイッチ１０により正
バイアス（初期電界方向のバイアス）と逆バイアス（正
バイアスと逆方向電界のバイアス）に切り換え可能なも
のとなっており、集電極部５，６を介して電気二重層コ
ンデンサ１に電圧を印加する。正の流れの場合には、分
極性電極部３が相対的にプラス（＋）の電圧に、分極性
電極部４は相対的にマイナス（−）の電圧となるように
構成されている。このような構造によって、集電極５，
６に電圧を印加して、分極性電極部３，４に電圧を印加
することによって分極性電極部３，４に電荷を充電でき
ることができるともに、放電する際には、電源９におい
てスイッチ１０を切り換えて電気二重層コンデンサ１の
分極性電極部３，４の放電が行われるようになってい
る。

【００１５】次に、本実施の形態の動作を説明する。な
お、分極性電極部３，４が充電工程の前に十分賦活され
ていない場合、電源９により分極性電極部３，４を電気
的賦活してもよい。つまり、分極性電極部３，４を電気
賦活するために、電気二重層コンデンサ１に電源９から
電圧を印加し、分極性電極部３，４内それぞれにおける
炭素−炭素間距離を徐々に長くさせる。このように電気
的賦活を行った後の分極性電極部３，４に、またはすで
に電気的賦活以外の手段で賦活された活性炭からなる分
極性電極部３，４に、充電のために、定電流源９から一
方の集電極５に相対的にプラスの電圧の印加、他方の集
電極６に相対的にマイナスの電圧の印加が行われ分極性
電極部３，４に３．７５（Ｖ）の電圧を印加する。この
電圧により形成される初期電界を順バイアス方向と定義
し、できるだけ電気的賦活のときより小さい電圧値の方
が望ましい。初期電界印加時では、分極性電極部３は正
極分極性電極部となり電解液８の負イオン（BF4-）が吸
着し、分極性電極部４は負極分極性電極部となり正イオ
ン（（C2H5）4N+）が吸着し、規定電界（活性炭種と電
解液８組成により異なるが本実施の形態では３．５
（Ｖ））以上では、イオンが分極性電極部３，４の活性
炭内部へ吸着固定化するとともに活性炭と電解液８が反
応し、炭酸ガス、水、プロピレングリコール等の不要な
反応生成物が生じる。

【００１６】次いで、電気二重層コンデンサ１に充電し
た電荷を放電後、再び順バイアスで充電する。このとき
の印加電圧は３．５（Ｖ）とする。そしてさらに順バイ
アスの３．５（Ｖ）の充電と、放電を２回繰り返す。こ
の後電解液８を交換することにより電解液８中の反応生
成物や不純物を除去する。なお、この電解液８は交換せ
ずに清浄化してもよい。また、電解液８の交換もしくは
清浄化するのは、分極性電極部３，４に電圧を印加して
電気的賦活している間または分極性電極３，４の充電中
から電気二重層コンデンサ１の製造終了までの間で行わ
れればよく、次工程の逆電界充電工程の後に行われても
よい。次いで、初期電界印加時とは逆の電圧を電気二重
層コンデンサ１に印加する。つまり、電源９においてス
イッチ１０を切り換えて、一方の集電極部５に相対的に
マイナスの電圧を印加し、他方の集電極部６に相対的に
プラスの電圧を印加する。以下、この電圧により形成さ
れる電界を逆電界という。逆電界充電後に放電を行い、
逆電界充電及び放電をさらに２回続けた。すると、逆バ
イアス充電での正極分極性電極部及び負極分極性電極部
はそれぞれ正バイアス充電での負極分極性電極部及び正
極分極性電極部に対応し、それぞれの活性炭内部に固定
化された電解イオンが逆電界により分極性電極の界面よ
り引き離され、それぞれの電気泳動自在の電解液のイオ
ンが吸着される分極性電極部３、４の表面積が増えるこ
とになり、電気二重層コンデンサ１の単位重量当たりの
静電容量を増加することができる。このようにして、電
気二重層コンデンサを初期高電界印加後に逆電界充電を
印加したことにより、単位重量当たりの静電容量の向上
と内部抵抗の低下が図られた電気二重層コンデンサ製品
となる。

【００１７】なお、逆電界充電を行う場合、最初の正バ
イアス充電又は電気賦活を行うための正バイアスの賦活
電圧を印加した直後であってもよい。以下の実施例で
は、正バイアス充電を４回、その後、逆バイアス充電を
３回行っているが、正バイアス充電と逆バイアス充電の
回数を同じにしてもよくまた逆バイアスの回数を多くし
てもよい。ただし、逆バイアス充電は、２回以上行った
方が望ましい。また電解液の交換は、逆バイアス充電の
１回目後乃至２回目後が特に望ましい。

【００１８】

【実施例】本発明の電気二重層コンデンサの製造方法に
て、電気二重層コンデンサを作成した。表１に正バイア
ス充電とその後逆バイアス充電を行った時の電気二重層
コンデンサのキャパシタ特性の変位についてのデータを
示す。なお、正バイアス及び逆バイアスを形成するため
の充電電圧を印加した後には蓄積された電荷を放電して
いる。

【００１９】

【表１】

【００２０】本実施例では、正バイアス充電として初期
電界を形成するために５ｍＡの定電流を電源９から流
し、電気二重層コンデンサの集電極部５，６に３．７５
Ｖ印加した。この時の電圧は、満充電後に放電し、更に
同電流で３．５Ｖ、電気二重層コンデンサ１に印加する
ことによる充放電を繰り返した。なお、電気賦活は、初
回の充放電より十分に行われているため、２〜４回目の
３．５Ｖの充放電では、それ以上進行せず単なる充放電
となっている。そのため、２回目〜４までの単位重量当
たりの静電容量と抵抗の値にはほとんど変化が見られな
い。

【００２１】次いで、電解液８を交換して−３．５Ｖで
初期電界とは逆バイアス電圧を電気二重層コンデンサ１
の集電極部５，６に印加し、充電を行い引き続き放電を
行った。表１を見るに、６回目の充電、つまりこの逆電
界を形成するための電圧印加の１回目では、十分に充電
されていない（逆電界を形成する２回目の電圧印加と比
較）が、２回目では、静電容量（Ｆ／ｇ）の上昇（２
１．０８Ｆ／ｇから２９．０７Ｆ／ｇに上昇）が確認さ
れる。また、抵抗（Ω）については逆電界から低減（４
回目の初期電界での値１５．５９Ωから逆電界１回目の
値９．７２Ωに低減、その後も約１０Ωと初期電界２回
目以降の値約１５Ωより低減）されていることが確認さ
れる。

【００２２】また、上記実施例では、電気二重層コンデ
ンサ１に、初期電界の１回目の電圧の印加（３．７５
Ｖ）の後、同方向の電界として３．５Ｖの電圧を続けて
３回印加したが、初期電界の正バイアス１回目の充電、
放電後に、直ぐ電気二重層コンデンサに逆電界を印加す
る構成としてもよい。

【００２３】なお、他の実施例として、電気賦活以外の
賦活処理（アルカリ賦活、水蒸気賦活）を施したものに
順バイアス１回の充放電を行い引き続き逆バイアス１回
以上行うことでも同様の効果を得ることができる、つま
り、電気二重層コンデンサの分極性電極部３，４から反
応生成物や不純物を取り除くことができる。また、逆電
界を印加する方法として第３の電極を設置して、この第
３の電極と各分極性電極部３，４間で逆電界を印加する
方法としてもよい。なお、以上の実施の形態における電
気二重層コンデンサの各構成要素は、一般的に電気二重
層コンデンサに用いられる材料よりなるものである。本
実施形態では、１回目に３．７５Ｖの充電後、３．５Ｖ
の充電を行ったが、正バイアス充電電圧は、素子破壊を
引き起こさなければ等電位でもよい。また電気的賦活を
行った際、電気的賦活を充電時の正バイアスとしても逆
バイアスとしてもよく、最終的に正バイアス印加後に逆
電界を一度以上行えばよい。さらに、電気賦活を行った
場合、その後に正バイアス充電を１回も行うことなく逆
バイアス充電を行ってもよい。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、前記電気
二重層コンデンサの製造において、単位重量当たりの静
電容量を増加させることができるとともに内部抵抗を低
下させることができる。これにより静電容量の向上が図
られているとともに内部抵抗の低減が図られた電気二重
層コンデンサを製造することができる。

【００２５】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果を得ることができるとともに、反
応生成物を含有する等して劣化した電解液を清浄化また
は交換することにより効率よく単位重量当たりの静電容
量が増加され内部抵抗が低減された電気二重層コンデン
サを製造することができる。請求項３記載の発明によれ
ば、賦活処理や賦活後に印加される電圧による劣化が抑
えられ、単位重量当たりの静電容量の向上と内部抵抗の
低下が図られた電気二重層コンデンサとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施の形態の電気二重層コ
ンデンサの製造方法を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１電気二重層コンデンサ２セパレータ３，４分極性電極部（分極性電極）５，６集電極部（集電極）７パッケージケース（収納容器）８電解液９電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解液で満たされた未賦活の炭素材料か
らなる分極性電極を電気的賦活するため又は電解液で満
たされた活性炭からなる分極性電極を充電するために、
前記分極性電極に所定の電圧を印加する第１電圧印加工
程と、前記第１電圧印加工程に前記分極性電極に前記第１電圧
印加工程の前記所定の電圧とは逆電界の電圧を印加する
第２電圧印加工程と、からなることを特徴とする電気二重層コンデンサの製造
方法。
【請求項２】請求項１記載の電気二重層コンデンサの
製造方法において、電解液は、第１電圧印加工程中から
前記電気二重層コンデンサの製造終了までの間で、清浄
化または交換されることを特徴とする電気二重層コンデ
ンサの製造方法。
【請求項３】請求項１または２記載の電気二重層コン
デンサの製造方法によって製造されることを特徴とする
電気二重層コンデンサ。