JP2002110473A - 電解質及びこれを用いた電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜強度の高い電解質と、この電解質を用いた
電気二重層キャパシタであって、内部抵抗が低く、且
つ、積層した場合にそれぞれの電気二重層キャパシタ
（セル）にかかる電圧のばらつきを小さくすることがで
きる電気二重層キャパシタとを提供する。 【解決手段】 添加するポリマ量を多くして膜強度の高
いゲル状電解質膜とする。ゲル状電解質の構成材料を加
熱溶融して電極にキャストするとともに、対向する電極
間には上記ゲル状電解質膜を配置する。または、ポリマ
量の低いゲル状電解質を電極にキャストするとともに、
対向する電極間には上記ゲル状電解質膜を配置する。ま
たは、電解液を電極にキャストするとともに、対向する
電極間には上記ゲル状電解質膜を配置する。また、この
電気二重層キャパシタを、バイポーラ電極を用いて積層
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電解質及びこれを用
いた電気二重層キャパシタに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在用いられているコンピュータには、
メモリのバックアップ用として、電気二重層キャパシタ
が利用されている。この電気二重層キャパシタは、小型
で大容量であり、また、繰返し寿命が長いという特徴を
有する。

【０００３】電気二重層キャパシタは、電解質中のアニ
オン，カチオンをそれぞれ正極，負極表面に物理吸着さ
せて分極性電極に電気を蓄えるという原理で動作するた
め、その吸着する電極の表面積が大きいことが要求され
る。そこで、現在では、電気二重層キャパシタの電極と
して、比表面積が１０００〜３０００（ｍ² ／ｇ）の活
性炭が利用されている。電気二重層キャパシタは、対向
する２つの電極の間に電解質が存在する構造を有してい
る。

【０００４】近年、この電気二重層キャパシタが、様々
な機器のバックアップ電源として広く用いられるように
なってきた。適用対象の大容量化に伴い、バックアップ
として用いる電気二重層キャパシタも、大容量化が望ま
れている。このとき、大容量化する電気二重層キャパシ
タにおいては、使用電圧の高いことや内部抵抗が低いこ
とが望ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電気二重層キャパシタ
の電解質には、水溶液系、有機電解液系、有機電解液系
にポリマを混ぜてゲル化したゲル電解質系の３つがあ
る。上記のように電気二重層キャパシタの電解質は内部
抵抗が低いことが望ましいが、もっとも内部抵抗が低い
水溶液系の電解質では、分解電圧が１．２Ｖと低く、
１．２Ｖを超える使用電圧に対しては電気二重層キャパ
シタを直列接続して使用電圧に合わせる必要がある。一
方、分解電圧が２．５〜３Ｖと比較的高い有機電解液系
の電解質では、内部抵抗が水溶液系の電解質に比べて高
く、このため電極面積を広くするなどして内部抵抗を下
げる必要がある。このように、水溶液系、有機電解液系
ともに長所と短所とをそれぞれもっている。

【０００６】これに対してゲル電解質系の電解質は、有
機電解液系と似た性質を持っているが、ポリマが含まれ
ているため電気伝導度に関しては有機電解液系にやや劣
る。しかし、ゲル電解質系の電解質は膜状にして対向す
る電極間に配置することができることから、セパレータ
が不要であり、電気二重層キャパシタを構成するときに
優位な構造を構築できるという利点がある。

【０００７】即ち、電気二重層キャパシタの電解質にゲ
ル状電解質膜を用いる場合には、このゲル状電解質膜に
対して、電解質としての働きとととにセパレータとして
の働きも要求される。従って、ゲル状電解質膜の膜強度
が弱い場合には、セパレータとしての働きが不十分とな
り、対向する電極同士が接触して短絡が起こる可能性が
ある。このため、ゲル状電解質は、イオン伝導度が高
く、電解質の分解電圧範囲が広く、また、電解質の強度
が高いことが望ましい。しかも、電気二重層キャパシタ
を構築する上では内部抵抗が低いことが要求される。

【０００８】また、電気二重層キャパシタの電解質に有
機系のゲル状電解質を用いる場合、その使用電圧範囲が
広いことが特徴であるが、この使用電圧以上に動作電圧
が高い場合には、この電気二重層キャパシタをいくつか
直列接続して使用する必要がある。このとき、それぞれ
の電気二重層キャパシタ（セル）にかかる電圧にばらつ
きが生じることがある。この場合には電気二重層キャパ
シタ間に抵抗を設けるなどして前記電圧の均一化を図っ
ているが、そのための作業は煩雑なものとなってしま
う。

【０００９】従って、本発明は上記の問題点に鑑み、膜
強度の高い電解質と、この電解質を用いた電気二重層キ
ャパシタであって、内部抵抗が低く、且つ、積層した場
合にそれぞれの電気二重層キャパシタ（セル）にかかる
電圧のばらつきを小さくすることができる電気二重層キ
ャパシタとを提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
発明の電気二重層キャパシタの電解質は、ポリマを含む
ゲル状電解質において、添加するポリマ量を多くして膜
強度の高いゲル状電解質膜としたことを特徴とする。

【００１１】また、第２発明の電気二重層キャパシタ
は、ゲル状電解質の構成材料を加熱溶融して電極にキャ
ストするとともに、対向する電極間には第１発明のゲル
状電解質膜を配置したことを特徴とする。

【００１２】また、第３発明の電気二重層キャパシタ
は、ポリマ量の低いゲル状電解質を電極にキャストする
とともに、対向する電極間には第１発明のゲル状電解質
膜を配置したことを特徴とする。

【００１３】また、第４発明の電気二重層キャパシタ
は、電解液を電極にキャストするとともに、対向する電
極間には第１発明のゲル状電解質膜を配置したことを特
徴とする。

【００１４】また、第５発明の積層型電気二重層キャパ
シタは、第４発明の電気二重層キャパシタを、バイポー
ラ電極を用いて積層したことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。

【００１６】本実施の形態では、電気二重層キャパシタ
の電解質としてゲル状電解質を用いた。即ち、ゲル状電
解質を用いて使用電圧の高い電気二重層キャパシタを提
案する。以下では、電気二重層キャパシタの構成を作製
方法に沿って説明する。

【００１７】以下の実施例において、ゲル状電解質はポ
リマ、有機溶媒、電解質塩で構成し、ポリマにはポリア
クリロニトリル、有機溶媒にはプロピレンカーボネー
ト、電解質塩には四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニ
ウムを用いて作製した。また、電極には、集電極として
アルミニュウム板、活性炭電極として活性炭繊維布（日
本カイノール製（ＡＣＣ−５６１−２５）（厚さ０．４
ｍｍ））を用いた。

【００１８】（実施例１）本実施例１では、ゲル状電解
質のポリマ量を１０ｍｏｌ％〜２５ｍｏｌ％添加し、膜
状となるゲル状電解質を電気二重層キャパシタに用い
て、容易に積層型電気二重層キャパシタを製作する方法
を示す。

【００１９】まず、ゲル状電解質の構成材料を所定量秤
量し、１００℃で加熱溶融した（電解質塩濃度は９．３
５ｍｏｌ％）。そして、電気二重層キャパシタの活性炭
電極上に加熱溶融したゲル状電解質をキャストした。即
ち、加熱溶融したゲル状電解質を、活性炭電極上に滴下
することなどにより、同活性炭電極に含浸させた。ま
た、対向する活性炭電極間には、予めゲル化させた膜状
のゲル状電解質を配置した。

【００２０】このときの膜状ゲル状電解質は、ポリマ濃
度が１０ｍｏｌ％〜２５ｍｏｌ％の範囲であれば成形可
能である。ポリマ濃度が１０ｍｏｌ％以下又は２５ｍｏ
ｌ％以上の場合には失敗確率が高くなる。ゲル状電解質
をこのような構成にすることで、図１に示す単セルばか
りでなく、動作電圧が高い場合に使用できる図２に示す
ようなバイポーラ電極を用いた積層型電気二重層キャパ
シタの製作も容易となる。

【００２１】上記ゲル状電解質のポリマ量は、ゲル化し
たゲル状電解質を膜として取り扱うのに十分な膜強度を
得ることができる量である。即ち、このゲル状電解質膜
は、電解質として働くとともにセパレータとしても十分
に働き、対向する活性炭電極同士が接触して短絡するの
を確実に防止することができる。また、上記構成の電気
二重層キャパシタの内部抵抗は１２．５Ωであった。

【００２２】なお、ここで図１、図２に示す電気二重層
キャパシタの構成について具体的に説明する。

【００２３】図１に示す電気二重層キャパシタは単セル
のものである。即ち、端子４を取り付けたアルミニュウ
ム集電極１と、アルミニュウム集電極１に導電性接着剤
によって接合した活性炭電極２と、アルミニュウム集電
極１の端部に固定した構造枠３とによって枠付き端子電
極５を構成している。

【００２４】そして、活性炭電極２上には加熱溶融した
ゲル状電解質をキャストするとともに、対向する活性炭
電極２の間にはゲル状電解質膜６を配置している。ま
た、構造枠３の上下面にはリブ３ａと溝３ｂとが設けら
れており、上側の構造枠３の溝３ｂに下側の構造枠３の
リブ３ａを嵌合して、単セルの電気二重層キャパシタを
一体的に構成している。なお、図１中の９は構造枠同士
の接合部である。

【００２５】図２に示す電気二重層キャパシタは積層構
造のものである。即ち、図１と同様にアルミニュウム集
電極１と活性炭電極２と構造枠３とによって枠付き端子
電極５を構成するとともに、アルミニュウム集電極１の
両面に導電性接着剤で活性炭電極２を接合してバイポー
ラ電極７を構成し、且つ、このバイポーラ電極７と、ア
ルミニュウム集電極１の端部に固定した構造枠３とによ
って枠付きバイポーラ電極８を構成している。

【００２６】そして、上下の枠付き端子電極５の間に枠
付きバイポーラ電極８を配置し、活性炭電極２７には加
熱溶融したゲル状電解質をキャストするとともに、対向
する活性炭電極２の間にはゲル状電解質膜６を配置して
いる。また、上側の構造枠３の溝３ｂに下側の構造枠３
のリブ３ａを順次嵌合して、積層型電気二重層キャパシ
タを一体的に構成している。

【００２７】（実施例２）本実施例２では、低ポリマ量
のゲル状電解質を電極にキャストし、電極間は膜強度の
高いゲル状電解質膜を用いて構成する電気二重層キャパ
シタを示す。

【００２８】上記実施例１の方法で電気二重層キャパシ
タを構成する場合、活性炭電極上にキャストするゲル状
電解質はゲル化していなくても、活性炭電極間がゲル状
電解質膜で構成されていれば、求める電気二重層キャパ
シタは構成できる。そこで、活性炭電極には比較的電気
伝導度の高いゲル状電解質をキャストした。即ち、ポリ
マ量を５ｍｏｌ％にしたゲル状電解質を活性炭電極上に
キャストするとともに、対向する活性炭電極間には上記
のポリマ濃度１０ｍｏｌ％のゲル状電解質膜を配置し
た。

【００２９】その結果、電気二重層キャパシタの内部抵
抗は１０Ω・ｃｍとなり、上記実施例１の電気二重層キ
ャパシタの内部抵抗１２．５Ω・ｃｍよりも減少した。

【００３０】（実施例３）本実施例３では、キャスト用
電解質には電解液を用い、電極間はゲル状電解質膜で構
成する方法を示す。

【００３１】上記実施例２の方法で電気二重層キャパシ
タを構成する際、活性炭電極上にキャストする電解質と
して、ポリマを含むゲル状電解質に代えて、ポリマを含
まない電解液を用いた。使用した電解液は、塩濃度が
１．２ｍｏｌ／ｌの電解液である。このとき、活性炭電
極上に滴下した電解液量は、活性炭電極の表面積１００
ｃｍ² あたり２．５ｍｌである。

【００３２】この場合、電気二重層キャパシタの内部抵
抗は８Ω・ｃｍとなり、上記実施例２の電気二重層キャ
パシタの内部抵抗１０Ω・ｃｍよりも更に低減すること
できた。従って、このような構成を用いることにより、
セパレータを要せず、しかも、非常に内部抵抗の低い電
気二重層キャパシタを作製することができる。

【００３３】（実施例４）本実施例４では、電極間はゲ
ル状電解質膜で構成するとともに、バイポーラ電極を用
いて積層型電気二重層キャパシタを構成し、各電気二重
層キャパシタ（セル）の電圧分担を均一にする方法を示
す。

【００３４】上記実施例４の方法で電気二重層キャパシ
タを構成するとともに、この電気二重層キャパシタ（セ
ル）を、バイポーラ電極を用いて積層することにより、
積層型電気二重層キャパシタを製作した。この積層型電
気二重層キャパシタは例えば図２に示すような構成とな
る。

【００３５】製作後、積層型電気二重層キャパシタの各
バイポーラ電極から取り出した測定用のリードを用いて
充電時の電圧分担を調べたところ、各電気二重層キャパ
シタ（セル）の分担電圧のばらつきは、各セル分担電圧
の平均値の±０．０５Ｖ以内に入っており、非常に小さ
かった。

【００３６】このように、活性炭電極に電解液をキャス
トするとともに、活性炭電極間にはゲル状電解質膜を配
置する構成の電気二重層キャパシタを、バイポーラ電極
を用いて積層することにより、分担電圧のばらつきが小
さくて安定した特性の積層型電気二重層キャパシタを得
ることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように、第１発明の電気二重層キャパシタの電
解質によれば、ポリマを含むゲル状電解質において、添
加するポリマ量を多くして膜強度の高いゲル状電解質膜
としたことにより、セパレータが不要となり、単セルの
電気二重層キャパシタばかりでなく、積層型電気二重層
キャパシタの製作も容易となる。

【００３８】また、第２発明の電気二重層キャパシタに
よれば、ゲル状電解質の構成材料を加熱溶融して電極に
キャストするとともに、対向する電極間には第１発明の
ゲル状電解質膜を配置したことにより、セパレータが不
要となって単セルの電気二重層キャパシタばかりでなく
積層型電気二重層キャパシタの製作も容易になるととも
に、内部抵抗も比較的低くなる。

【００３９】また、第３発明の電気二重層キャパシタに
よれば、ポリマ量の低いゲル状電解質を電極にキャスト
するとともに、対向する電極間には第１発明のゲル状電
解質膜を配置したことにより、セパレータが不要となっ
て単セルの電気二重層キャパシタばかりでなく積層型電
気二重層キャパシタの製作も容易になるとともに、内部
抵抗が第２発明の電気二重層キャパシタよりも低くな
る。

【００４０】また、第４発明の電気二重層キャパシタに
よれば、電解液を電極にキャストするとともに、対向す
る電極間には第１発明のゲル状電解質膜を配置したこと
により、セパレータが不要となって単セルの電気二重層
キャパシタばかりでなく積層型電気二重層キャパシタの
製作も容易になるとともに、内部抵抗が第３発明の電気
二重層キャパシタよりも更に低くなる。

【００４１】また、第５発明の積層型電気二重層キャパ
シタによれば、第４発明の電気二重層キャパシタを、バ
イポーラ電極を用いて積層したことにより、各電気二重
層キャパシタ（セル）の分担電圧のばらつきが小さくて
安定した特性の積層型電気二重層キャパシタを得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る単セルの電気二重層
キャパシタの構成図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る積層型電気二重層キ
ャパシタの構成図である。

【符号の説明】

１ アルミニュウム集電極 ２ 活性炭電極 ３ 構造枠 ３ａ リブ ３ｂ 溝 ４ 端子 ５ 枠付き端子電極 ６ ゲル状電解質膜 ７ バイポーラ電極 ８ 枠付きバイポーラ電極 ９ 接合部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリマを含むゲル状電解質において、添
   加するポリマ量を多くして膜強度の高いゲル状電解質膜
   としたことを特徴とする電気二重層キャパシタの電解
   質。
2. 【請求項２】 ゲル状電解質の構成材料を加熱溶融して
   電極にキャストするとともに、対向する電極間には請求
   項１のゲル状電解質膜を配置したことを特徴とする電気
   二重層キャパシタ。
3. 【請求項３】 ポリマ量の低いゲル状電解質を電極にキ
   ャストするとともに、対向する電極間には請求項１のゲ
   ル状電解質膜を配置したことを特徴とする電気二重層キ
   ャパシタ。
4. 【請求項４】 電解液を電極にキャストするとともに、
   対向する電極間には請求項１のゲル状電解質膜を配置し
   たことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
5. 【請求項５】 請求項４の電気二重層キャパシタを、バ
   イポーラ電極を用いて積層したことを特徴とする積層型
   電気二重層キャパシタ。