JP2002532869A - 電荷蓄積装置 - Google Patents

電荷蓄積装置

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Abstract

(57)【要約】 電荷蓄積装置であって、第１の電極と、第１の電極と対向しかつ間隔をあけられた第２の電極と、電極間に配置された多孔質セパレータと、電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収容するための封止パッケージと、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続されかつ両者ともパッケージから延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムよりも大きい、電荷蓄積装置である。また、電荷蓄積装置を製造する方法も説明され、前記方法は、第１の電極を設けるステップと、第１の電極と対向してかつ間隔をあけて第２の電極を配置するステップと、電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、封止パッケージ内に電極、セパレータおよび電解質を収容するステップとを含み、電極は電解質に浸漬され、さらに、第１の端子および第２の端子をそれぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続してパッケージから延在する端子がそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらすステップを含み、装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムよりも大きい、方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、電荷蓄積装置およびその製造方法に関する。
【０００２】 本発明は、主にスーパーキャパシタなどの電気化学電荷蓄積装置に用いるため
に開発されており、これ以降その適用例に関して述べる。スーパーキャパシタは
、ウルトラキャパシタ、電気二層キャパシタおよび電気化学キャパシタその他な
どの用語で示され、これらすべてがこの明細書で用いられているような「スーパ
ーキャパシタ」という用語の範囲内に含まれることになる。
【０００３】 明確な範囲内にある特殊な動作特徴を有するスーパーキャパシタの大量生産は
公知である。大量生産は費用の点から言えば有利であるが、これは本来柔軟性の
欠如を伴う。すなわち、特定の適用例に対するスーパーキャパシタの所望の特徴
が一般に適用可能な範囲に収まらない場合は、妥協解決策が必要となる。１つの
選択肢は、所望のスーパーキャパシタを一品生産または少数生産として製造する
ことである。この後者の選択肢は費用が非常に嵩むことが多いので、ほとんど実
行できない。
【０００４】 公知のスーパーキャパシタは、通常、コンピュータの無停電電源または揮発性
メモリのバックアップ電源などの電源に適用される。これに応じて、これらのス
ーパーキャパシタを高エネルギ密度、低自己放電率および低価格に最適化するこ
とが一般的となっている。
【０００５】 より最近では、スーパーキャパシタは高電力パルスの適用例に理論的に適用可
能であると考えられている。実際、このようなスーパーキャパシタを短期間の電
流源またはシンクとして適合するよう作製した試みもある。そのような適用例に
は、内燃機関の始動、ハイブリッド車の負荷電力平準化および種々のパルス通信
システムなどがある。しかしながら、これらのスーパーキャパシタの成功は、高
等価直列抵抗その他の要因によってこれまで制限されてきた。たとえば、従来技
術の二層キャパシタには、ボタンセルまたは螺旋巻き技術を用いるものがある。
これらは、通常２つのグループのうちのいずれかに属し、第１のグループは高電
力の適用例に関し、第２のグループは低電力の適用例に関する。第１のグループ
でなく第２のグループでは、高エネルギ密度を得ることが可能であった。
【０００６】 この第１および第２のグループは、概して、使用される電解質のタイプ、すな
わちそれぞれ水溶性および非水溶性によって規定される。これは主に、高電力、
したがって高電流の適用例により適した水溶性電解質によって本来もたらされる
、より低い抵抗によるものである。つまり、抵抗が低いと、結果として水溶性電
解質のＩ2Ｒ損失がより低くなる。しかしながら、このトレードオフは、これら
の水溶性電解質に関して、容量セルにわたって印加され得る電圧が極めて限られ
ているということである。
【０００７】 従来技術の二層キャパシタの第２のグループは、これとは逆の欠点を有する。
すなわち、これらは利用可能なエネルギ密度を向上させるより大きな電圧窓をも
たらす一方、高電力の適用例には不適切となる高い内部抵抗を有することである
。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の目的は、少なくとも好ましい実施例においては、従来技術の１つもし
くはそれ以上の欠点を克服するかまたは実質的に改善すること、または少なくと
も有用な代替策を提供することである。
【０００９】 本発明の第１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は
、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、電極間
に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージ
と、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大き
い。
【００１０】 好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約２．５ワット／グラムより大きい。よ
り好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３ワット／グラムより大きい。さらに
好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３．５ワット／グラムより大きい。いく
つかの実施例では、この装置の重量ＦＯＭは約５ワット／グラムより大きい。
【００１１】 より好ましくは、第１の電極および第２の電極は容量セルを形成し、上記装置
は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。
しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実
施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセ
ルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセル
はより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によって
これらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電
力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを
意味する。
【００１２】 好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボル
ト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧
は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セ
ルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００１３】 好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティング
および第２の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられ
る炭素の表面積は２０ｍ2／グラムより大きい。
【００１４】 本発明の第２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法
は、 第１の電極を提供するステップと、 第２の電極を第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて配置するステッ
プと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含
み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、 第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそ
れぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および
第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の重量ＦＯＭは約２
．１ワット／グラムより大きい。
【００１５】 好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約２．５ワット／グラムより大きい。よ
り好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３ワット／グラムより大きい。さらに
好ましくは、この装置の重量ＦＯＭは約３．５ワット／グラムより大きい。いく
つかの実施例では、この装置の重量ＦＯＭは約５ワット／グラムより大きい。
【００１６】 より好ましくは、第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、この装置
は、並列に電気的に接続されかつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。
しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実
施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。
【００１７】 好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボル
ト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧
は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セ
ルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００１８】 好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティング
および第２の炭素コーティングを含み、これらのコーティングに用いられる炭素
の表面積は２０ｍ2／グラムより大きい。
【００１９】 本発明の第３の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は
、 第１の電極と、 第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケー
ジと、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の容積ＦＯＭは約３．２ワット／ｃｍ3より大き
い。
【００２０】 好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約４ワット／ｃｍ3より大きい。より好
ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約５ワット／ｃｍ3より大きい。さらに好ま
しくは、この装置の容積ＦＯＭは約７ワット／ｃｍ3より大きい。いくつかの実
施例では、この装置の容積ＦＯＭは約８ワット／ｃｍ3より大きい。
【００２１】 より好ましくは、第１の電極および第２の電極は容量セルを形成し、上記装置
は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。
しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実
施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセ
ルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセル
はより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によって
これらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電
力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを
意味する。
【００２２】 好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約４ボル
ト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧
は約３．５ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セ
ルの最大動作電圧は約３ボルト未満である。
【００２３】 好ましくは、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の炭素コーティング
および第２の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられ
る炭素の表面積は２０ｍ2／グラムより大きい。
【００２４】 本発明の第４の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法
は、 第１の電極を提供するステップと、 第２の電極を第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて配置するステッ
プと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含
み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、 第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそ
れぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および
第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の容積ＦＯＭは約３
．２ワット／ｃｍ3より大きい。
【００２５】 好ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約４ワット／ｃｍ3より大きい。より好
ましくは、この装置の容積ＦＯＭは約５ワット／ｃｍ3より大きい。さらに好ま
しくは、この装置の容積ＦＯＭは約７ワット／ｃｍ3より大きい。いくつかの実
施例では、この装置の容積ＦＯＭは約８ワット／ｃｍ3より大きい。
【００２６】 本発明の第５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は
、 第１の導電性基板を有する第１の電極と、 第１の基板上に支持され、かつ４００ｍ2／グラムより大きい表面積を有する
炭素から形成される第１の炭素層と、 第２の導電性基板を有する第２の電極と、 第２の基板上に支持され、４００ｍ2／グラムより大きい表面積を有する炭素
から形成される第２の炭素層と、 電極間に配置される多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケー
ジとを含み、第１の層と第２の層とは対向し間隔をあけられており、上記装置は
さらに、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子を含み、この装置の容積ＦＯＭは約１．１ワット／ｃｍ3より大きい
。
【００２７】 本発明の第６の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法
は、 第１の導電性基板を有する第１の電極を提供するステップと、 第１の炭素層を第１の基板上に支持するステップとを含み、第１の層は４００
ｍ2／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさ
らに、 第２の導電性基板を有する第２の電極を提供するステップと、 第２の基板上に第２の炭素層を支持するステップとを含み、第２の層は４００
ｍ2／グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさ
らに、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を封止パッケージ内に収
納するステップを含み、第１および第２の層は対向し間隔をあけられており、上
記方法はさらに、 第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延
び、それぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極
および第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積ＦＯＭは
約１．１ワット／ｃｍ3より大きい。
【００２８】 本発明の第７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は
、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッ
ケージと、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の応答時間（Ｔ0）は約０．０９秒未満である。
【００２９】 好ましくは、Ｔ0は約１０-2秒未満である。より好ましくは、Ｔ0は約１０-3秒
未満である。さらに好ましくは、Ｔ0は約１０-4秒未満である。いくつかの実施
例では、Ｔ0は約５×１０-5秒未満である。
【００３０】 本発明の第８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法
は、 第１の電極を提供するステップと、 第１の電極から対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極を提供する
ステップと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納する
ステップと、 第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延
びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極
および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の応答時間（
Ｔ0）が約０．０９秒未満である。
【００３１】 好ましくは、Ｔ0は約１０-2秒未満である。より好ましくは、Ｔ0は約１０-3秒
未満である。さらに好ましくは、Ｔ0は約１０-4秒未満である。いくつかの実施
例では、Ｔ0は約５×１０-5秒未満である。
【００３２】 本発明の第９の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は
、 第１の電極と、 第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約１２．５ワット／グ
ラムより大きい。
【００３３】 好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１５ワット／グラムより大
きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１７ワット／グラ
ムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約２０ワ
ット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大
電力は約２６ワット／グラムより大きい。
【００３４】 本発明の第１０の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１の電極を提供するステップと、 第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を配置するステッ
プと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含
み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、 第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそ
れぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および
第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の重量当たりの最大電
力は約１２．５ワット／グラムより大きい。
【００３５】 好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１５ワット／グラムより大
きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約１７ワット／グラ
ムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約２０ワ
ット／グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大
電力は約２６ワット／グラムより大きい。
【００３６】 本発明の第１１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置
は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の容積当たりの最大電力は約３５ワット／ｃｍ3
より大きい。
【００３７】 本発明の第１２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１の電極を提供するステップと、 第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を配置するステッ
プと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータ、および電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを
含み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、 第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそ
れぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および
第２の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積当たりの最大電
力は約３５ワット／ｃｍ3より大きい。
【００３８】 本発明の第１３の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置
は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれに電気的に接続され、上記パッケージ
からともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子およ
び第２の端子とを含み、この装置の時定数は約０．０３秒未満である。
【００３９】 好ましくは、この装置の時定数は約１０-2秒未満である。より好ましくは、こ
の装置の時定数は約１０-3秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数
は約１０-3秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約１０-4 秒未満である。
【００４０】 本発明の第１４の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１の電極を提供するステップと、 第１の電極に対向し第１の電極から間隔をあけて第２の電極を提供するステッ
プと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納する
ステップと、 第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそ
れぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および
第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の時定数は約０．０
３秒未満である。
【００４１】 好ましくは、この装置の時定数は約１０-2秒未満である。より好ましくは、こ
の装置の時定数は約１０-3秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数
は約１０-3秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約１０-4 秒未満である。
【００４２】 本発明の第１５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置
は、 それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極と、 第１の電極と互い違いにされ、それぞれの第２のタブがそこから延びる複数の
第２のシート電極と、 隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、 電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これ
によって、第１のタブは第１の端子に電気的に接続され、第２のタブは第２の端
子に電気的に接続され、第１および第２の両端子がパッケージから延びてそれぞ
れの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４３】 本発明の第１６の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極を提供するス
テップと、 複数の第２のシート電極と第１の電極とを互い違いにするステップとを含み、
第２のシート電極はそこから延びるそれぞれの第２のタブを有し、上記方法はさ
らに、 隣接する電極間に多孔質セパレータ手段を配置するステップと、 電極、セパレータ手段および電解質を封止パッケージ内に収納するステップと
、 第１のタブを第１の端子に、かつ第２のタブを第２の端子に電気的に接続する
ステップとを含み、第１および第２の両端子が上記パッケージから延びてそれぞ
れの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４４】 本発明の第１７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置
は、 第１のシート電極と、 第１のシート電極に隣接して配置された第２のシート電極とを含み、これによ
り電極はそれぞれの長さで折り返され、上記装置はさらに、 隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによ
り第１の電極は第１の端子に電気的に接続され、第２の電極は第２の端子に電気
的に接続され、第１および第２の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極
への外部電気接続を可能にする。
【００４５】 本発明の第１８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１のシート電極を提供するステップと、 第１の電極に近接して第２のシート電極を配置するステップと、 電極をそれらのそれぞれの長さで折り返すステップと、 隣接する電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電解質をパッケージ内に封止するステップと、 第１の電極を第１の端子に、かつ第２の電極を第２の端子に電気的に接続する
ステップとを含み、第１および第２の両端子は上記パッケージから延びてそれぞ
れの電極への外部電気接続を可能にする。
【００４６】 本発明の第１９の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この複合電荷
蓄積装置は、 第１の端子に電気的に接続されている第１の電極と、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
２の電極と、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
３の電極と、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
れにより上記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可
能にする。
【００４７】 本発明の第２０の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、こ
の方法は、 第１の電極を提供するステップと、 第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、 第２の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、 第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、 第３の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、 第３の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、 隣接する電極間に１つ以上の多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップ
とを含み、これにより、上記端子は上記パッケージから延びてそれぞれの電極へ
の外部電気接続を可能にする。
【００４８】 本発明の第２１の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、 各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の
端部との間に延びる、２つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、 キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第１のキャパシタセ
ルとを含み、第１のセルは第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシ
タ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、上記装置はさらに
、 キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第１のセルに対して間隔をあ
けた構成で維持される第２のキャパシタセルを含み、第２のキャパシタセルは第
２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された
２つのセル端子との両方を有する。
【００４９】 本発明の第２２の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、こ
の方法は、 パッケージにより規定された封止キャビティに電解質を収納するステップと、 各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の
端部との間に延びる、２つの間隔をあけたキャパシタ端子を提供するステップと
、 キャビティ内に電解質と接触させて第１のキャパシタセルを位置付けるステッ
プとを含み、第１のセルは、第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパ
シタ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、上記方法はさら
に、 第２のキャパシタセルをキャビティ内に電解質に接触させて、かつ第１のセル
に対して間隔をあけた構成で維持されるよう位置付けるステップを含み、第２の
セルは、第２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に
接続された２つのセル端子との両方を有する。
【００５０】 本発明の第２３の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 第１の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第１のコーティ
ングを有する第１のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動
的な厚さであり、上記装置はさらに、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
２の電極と、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
れにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能に
する。
【００５１】 本発明の第２４の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、こ
の方法は、 第１のシート電極を提供するステップと、 第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、 第１の電極の少なくとも一方側上に第１のコーティングを施すステップとを含
み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、上記方法はさらに
、 第２の電極を第１の電極に近接して配置するステップと、 第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、 １つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップ
とを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気
接続を可能にする。
【００５２】 本発明の第２５の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 第１の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第１のコーティング、お
よびその他方側上に第２のコーティングを含む第１のシート電極を含み、第１の
コーティングは第１の予め定められた厚さであり、第２のコーティングは第２の
予め定められた厚さであり、上記装置はさらに、 第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の一方側に近接して配置され
た第２のシート電極を含み、この第２の電極はその一方側上に第３の予め定めら
れた厚さの第３のコーティングを含み、この第３のコーティングは第１のコーテ
ィングと対向しており、上記装置はさらに、 第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の他方側に近接して配置され
た第３の電極を含み、この第３の電極はその一方側上に第４の予め定められた厚
さの第４のコーティングを含み、この第４のコーティングは第２のコーティング
と対向しており、上記装置はさらに、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
れにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能に
する。
【００５３】 本発明の第２６の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、こ
の方法は、 第１のシート電極を提供するステップと、 第１の電極を第１の端子に電気的に接続するステップと、 第１の電極の一方側に第１のコーティングを、かつ他方側に第２のコーティン
グを施すステップとを含み、第１のコーティングは第１の予め定められた厚さで
あり、第２のコーティングは第２の予め定められた厚さであり、上記方法はさら
に、 第２の電極の一方側に第３のコーティングを施すステップを含み、第３のコー
ティングは第３の予め定められた厚さであり、前記方法はさらに、 第２のシート電極を、第３のコーティングが第１のコーティングに対向するよ
うに第１の電極に近接して配置するステップと、 第２の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、 第４の予め定められた厚さの第４のコーティングを第３の電極に与えるステッ
プと、 第４のコーティングが第２のコーティングに対向するように、第３の電極を第
１の電極に近接して配置するステップと、 第３の電極を第２の端子に電気的に接続するステップと、 １つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップ
とを含み、これにより、端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電
気接続を可能にする。
【００５４】 本発明の第２７の局面によれば、スーパーキャパシタにおいて用いるための電
極が提供され、これらの電極は、 基板と、 上記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロ
ースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む。
【００５５】 本発明の第２８の局面によれば、スーパーキャパシタが提供され、このスーパ
ーキャパシタは、 カーボン粒子と、少なくとも１対の電極の対向する面上にコーティングされた
、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物との混合物を有する、
少なくとも１対の電極と、 上記少なくとも１対の電極の上記対向する面の間に位置付けられたセパレータ
と、 このセパレータを湿らす電解質とを含む。
【００５６】 本発明の第２９の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、 発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の
層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、上記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面
積は２０ｍ2／グラムより大きい。
【００５７】 本発明の第３０の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１の電極を発泡しない炭素から形成された第１の層でコーティングするステ
ップと、 第２の電極を発泡しない炭素から形成された第２の層でコーティングするステ
ップと、 第１の層と第２の層とを間隔をあけた構成で対向させるステップと、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージにまとめて
収納するステップと、 第１の端子および第２の端子を、これらの電極がともに上記パッケージから延
びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極
および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、第１および第２の層を
形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ2／グラムより大きい。
【００５８】 本発明の第３１の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電
極を含み、上記層は少なくとも約４００ｍ2／グラムの表面積を有する炭素から
形成されており、上記装置はさらに、 第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の
電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ2／グラムの表面積を有する
炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけ
られ、上記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラ
ムより大きい。
【００５９】 好ましくは、炭素の表面積は少なくとも１２００ｍ2／グラムである。より好
ましくは、少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む。
【００６０】 本発明の第３２の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電
極を提供するステップを含み、第１の炭素層は少なくとも約４００ｍ2／グラム
の表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、 第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の
電極を提供するステップを含み、第２の層は少なくとも４００ｍ2／グラムの表
面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層に対向して第１の層
から間隔をあけられており、上記方法はさらに、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージ内に収納す
るステップと、 第１の端子および第２の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延
びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極
および第２の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の重力当たり
の最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい。
【００６１】 好ましくは、炭素の表面積は少なくとも１２００ｍ2／グラムである。より好
ましくは、上記層のうち少なくとも１層が１種類より多くの炭素を含む。
【００６２】 本発明の第３３の局面によれば、エネルギ蓄積装置が提供され、この装置は、 ハウジングと、 第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電
極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第１の電荷蓄積容量が第
２の電荷蓄積容量より大きく、上記装置はさらに、 電極の中間にあるセパレータと、 ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む。
【００６３】 好ましくは、第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアル
ミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有
するアルミニウムシートを含み、第１および第２のコーティングは対向している
。より好ましくは、これらのシートは実質的に寸法上等価であり、電荷蓄積容量
は第１のコーティングと第２のコーティングとの差により変動する。さらに好ま
しくは、第１のコーティングは第２のコーティングより厚い。しかしながら、他
の実施例では、第１のコーティングの特定の容量が第２のコーティングのものよ
り大きい。つまり、第１のコーティングはグラム当たり予め定められた容量をも
たらす炭素を含み、これは第２のコーティングに含まれた炭素のものより大きい
。さらなる実施例では、電荷蓄積容量における差は、ｃｍ2当たりのコーティン
グの付着量の差によるものである一方、他の実施例では、これは電極の単位面積
当たりの炭素の活性表面積における差によるものである。
【００６４】 好ましくは、電荷蓄積容量は第１および第２の電極の表面積における差により
異なる。
【００６５】 好ましい形態では、第１の電荷蓄積容量と第２の電荷蓄積容量との比は、約９
：７から２：１の範囲内にある。より好ましくは、この比は約５：３から２：１
の範囲内にある。
【００６６】 好ましい形態では、第１および第２の電荷蓄積容量における差は、充填材料を
含む第２の電極によるものである。いくつかの実施例では、この充填材料はより
小さい表面積の炭素である一方、他の実施例では、金属繊維または炭素ナノ（ｎ
ａｎｏ）チューブが用いられる。より好ましくは、充填材料は導電性である。さ
らに好ましくは、第１および第２の電極は、充填材料を含むか否かにかかわらず
、公称の厚さはほぼ同じである。
【００６７】 本発明の第３４の局面によれば、ハウジングを有するエネルギ蓄積装置の製造
方法が提供され、この方法は、 第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電
極をハウジング内に配置するステップを含み、第１の電気蓄積容量は第２の電荷
蓄積容量より大きく、上記方法はさらに、 電極の中間にセパレータを配置するステップと、 電極と電荷をやり取りするためにハウジング内に電解質を設けるステップとを
含む。
【００６８】 好ましくは、第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有するアル
ミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティングを有
するアルミニウムシートを含み、上記方法はさらに、第１および第２のコーティ
ングを対向させるステップを含む。より好ましくは、上記シートは実質的に寸法
上等価であり、上記方法はさらに、第１のコーティングと第２のコーティングと
の間に差を設けて電荷蓄積容量に変化をもたらすステップを含む。さらに好まし
くは、第１のコーティングは第２のコーティングより厚い。しかしながら、他の
実施例では、第１のコーティングの特定の容量は第２のコーティングのものより
大きい。
【００６９】 本発明の第３５の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、 ハウジングと、 ハウジング内に配置された第１のシート電極と、 第１のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第２のシ
ート電極と、 第１の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持す
るためのセパレータと、 電極の中間に配置される電解質と、 それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接
続を可能にする２つの端子とを含む。
【００７０】 好ましくは、セパレータは少なくとも１つの共通端に沿って接続される２枚の
対向するセパレータシートを含み、第１の電極はこれらのセパレータシートの間
に配置される。より好ましくは、セパレータシートは一体的に形成される。さら
に好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一体的に形成される。
【００７１】 また好ましくは、各セパレータシートは、ともに共通端から離れるように延び
る、第１の端縁と、第１の端縁から間隔をあけられた第２の端縁とを含む。より
好ましくは、各セパレータシートはまた、第１の端縁と第２の端縁との間に延び
る第３の端縁を含み、第１の端縁は対向してともに接合され、第２の端縁は対向
してともに接合される。さらに好ましくは、第３の端縁は対向している。
【００７２】 好ましい形態では、第１の電極は第１のサブシートと第１のサブシートに対向
する第２のサブシートとを含む。より好ましくは、第１および第２のサブシート
は対向している。さらに好ましくは、第１および第２のサブシートの各々は共通
端に沿って接合される。また好ましくは、第１および第２のサブシートの間の共
通端は２つの対向するセパレータシート間の共通端に近接して配置される。
【００７３】 本発明の第３６の局面によれば、ハウジングを有する電荷蓄積装置を構築する
方法が提供され、この方法は、 少なくとも２つの対向するシート電極をハウジング内に配置するステップと、 電極のうちの第１のものの実質上すべてをセパレータで包み、間隔をあけた構
成で電極を維持するステップと、 電極の中間に電解質を配置するステップと、 それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接
続を可能にする２つの端子を設けるステップとを含む。
【００７４】 好ましくは、セパレータは少なくとも１つの共通端に沿って接続された２つの
対向するセパレータシートを含み、上記方法はさらに、第１の電極をこのセパレ
ータシート間に配置するステップを含む。より好ましくは、セパレータシートは
一体的に形成される。さらに好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一
体的に形成される。
【００７５】 また好ましくは、各セパレータシートは第１の端縁および第１の端縁から間隔
をあけられた第２の端縁を含み、これらはともに共通端から離れるように延びる
。より好ましくは、各セパレータシートはまた、第１の端縁と第２の端縁との間
に延びる第３の端縁も含み、上記方法はさらに、第１の端縁をともに接合し第２
の端縁をともに接合するステップを含む。さらに好ましくは、第３の端縁は対向
している。
【００７６】 本発明の第３７の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、炭素
粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの対向する電極を含み、これらの粒子
は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが公称直
径のオーダである厚さを有し、上記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージか
らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
第２の端子を含む。
【００７７】 好ましくは、予め定められた公称直径は約８ミクロン未満であり、コーティン
グの厚さは１００ミクロン未満である。より好ましくは、予め定められた公称直
径は約６ミクロン未満であり、コーティングの厚さは約３６ミクロン未満である
。さらに好ましくは、予め定められた公称直径は約２ミクロン未満であり、コー
ティングの厚さは約６ミクロン未満である。
【００７８】 本発明の第３８の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方
法は、 炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの電極を対向させるステップを
含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングはこの公称
直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、上記方法はさらに、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納する
ステップと、 第１の端子および第２の端子を、上記パッケージから延びてそれぞれの電極へ
の外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電
気的に接続するステップとを含む。
【００７９】 この文章中に特に明記しない限り、明細書および請求の範囲全体にわたって、
「含む（comprise）」「含んでいる（comprising）」という語は排他的または網
羅的な意味ではなく包括的な意味として、すなわち「含んでいるが限定はされな
い」という意味として解釈されるべきである。さらに、「含む（includes）」「
含んでいる（including）」などの語は、「含む（comprise）」「含んでいる（c
omprising）」などの語と互換可能に用いられる。
【００８０】
【詳細な説明】
この発明の第１の局面に従うと、電荷蓄積装置であって、 第１の電極と、 第１の電極と対向しかつ間隔を空けられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収容するための封止パッケ
ージと、 第１の端子および第２の端子とを含み、それらはそれぞれ第１の電極および第
２の電極に電気的に接続されかつ両者ともパッケージから延在してそれぞれの電
極への外部からの電気的接続をもたらし、装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／
グラムよりも大きい、電荷蓄積装置が提供される。
【００８１】 重量ＦＯＭは、パルス電力の適用を意図されたエネルギ蓄積装置とともに用い
るのにより適切な効果尺度であることが認められる。すなわち、そのような適用
は必然的に周波数依存であり、したがって、効果尺度の計算は、蓄積装置のイン
ピーダンスが−４５°の位相角に達する周波数ｆ0をまず識別するステップを含
む。次にｆ0の逆数は蓄積装置に特有の応答時間Ｔ0を与える。ｆ0でのインピー
ダンスＺ″の虚数部の値は、装置がその周波数で供給することができるエネルギ
Ｅ0を計算するのに用いられる。より特定的には、以下の式のとおりであり、 Ｅ0＝１／２ＣＶ2 式中、Ｃ＝−１／（２πｆ0Ｚ″）であり、Ｖは装置の定格電圧である。次にＥ0 を装置の質量およびＴ0で除することにより、重量効果尺度が計算される。すな
わち、以下の式のとおりとなる。 重量ＦＯＭ＝Ｅ0／（ｍ．Ｔ0） 重量効果尺度は、１９９８年１２月７−９日、フロリダ、ディアフィールドビ
ーチで開催された「２層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第８
回国際セミナー」（"8th International Seminar on Double Layer Capacitors
and Similar Energy Storage Devices"）のための「電気化学キャパシタのパル
ス電力パフォーマンス：現在市販の装置の技術的実情」（"Pulse Power Perform
ance of Electrochemical Capacitors: Technical Status of Present Commerci
al Devices"）と題される論文でジョン・Ｒ・ミラー（John R. Miller）により
提案された。この論文の中の教示および開示は相互参照により本明細書中に援用
される。
【００８２】 ミラーの論文には、Ｔ0と装置の容積の両者によって除算されたＥ0に基づく容
積効果尺度（容積ＦＯＭ）の計算も詳細に説明されている。容積ＦＯＭはワット
／ｃｍ3という形で表記される。
【００８３】 これらの効果尺度は、パルス電力の周波数依存の性質および装置に適用されて
いる他のそのような適用例とさらに一致する、蓄積装置の異なる特徴をもたらす
。装置の性能はこれまで用いられてきた単純なＲＣモデルで十分に説明できない
ことにも留意しなければならない。このような単純なモデルは、パルス化された
適用例または高電力の適用例のいずれの周波数依存の性質も説明できないが、こ
の発明を特徴づけるのに用いられるＦＯＭはそのような適用例に直接的に関係す
るパラメータである。
【００８４】 好ましくは、第１の電極は第１の基板および基板によって支持される第１の炭
素層を含み、第２の電極は第２の基板および第２の基板によって支持される第２
の炭素層を含み、第１および第２の炭素層は対向しかつ少なくとも４００ｍ2／
グラムの表面積を含み、装置の重量ＦＯＭは約１ワット／グラムよりも大きい。
【００８５】 ｍ2／Ｇと表記される表面積の本明細書中の測定値は窒素ＢＥＴ技術によって
得られることが認められる。
【００８６】 より好ましくは、炭素層の表面積は少なくとも１２００ｍ2／グラムである。
さらに好ましくは、炭素層の少なくとも１つは２つ以上のタイプの炭素を含む。
【００８７】 さらに好ましくは、炭素層は、プロトン化されたカルボキシメチルセルロース
（ＣＭＣ）の懸濁液と組合された、高表面積炭素および高導電性炭素の約２．５
：１の比率の混合である。しかしながら、他の実施例では他の結合剤を用いるこ
とが認められるであろう。たとえば、そのような別の結合剤はＣＭＣナトリウム
である。
【００８８】 図１を参照すると、この発明に従う、スーパーキャパシタ１の形のエネルギ蓄
積装置の１つの実施例が示される。スーパーキャパシタ１は、第１の端３と間隔
を空けられた第２の端４との間に軸方向に延在する円柱形のハウジング２の中に
収められる。他の実施例では異なって形づくられたハウジングが用いられる。
【００８９】 ハウジングは円柱形の側壁６を有し、それぞれの端３および４に隣接して配置
された円形の上面７および底面８を有する。底面、側壁および上面のすべての隣
接する端縁は封止するように係合される。この実施例では、ハウジング２は金属
から形成され、上面７および底面８は封止するように側壁６に接着される。
【００９０】 上面７は、それぞれの端子１１および１２を封止するように受けるための径方
向に間隔を空けられた２つのポート９および１０を含む。端子は、それらがスー
パーキャパシタ１の電極のそれぞれのものまたは組に電気的に接続されるハウジ
ング２の中から延在する。多数の可能な電極がこの発明のさまざまな実施例に用
いられるが、最も好ましいものが以下に詳細に論じられる。
【００９１】 端子１１および１２はゴムの封止材１３および１４によりそれぞれのポートの
中に封止するように保持される。
【００９２】 第１の好ましい電極の構成が図２に示される。より特定的には、この実施例で
は、スーパーキャパシタ１は複数の第１のシート電極２１を含み、シート電極は
それから延在するそれぞれの第１のタブ２２を有する。複数の同様の第２のシー
ト電極２３が電極２１と交互に配され、そこから延在するそれぞれの第２のタブ
２４を有する。複数の多孔質シートセパレータ２５は隣接する電極間に配置され
る。図１を参照して説明されたように、ハウジング２は、電極２１および２３、
セパレータ２５ならびに電解質（図示せず）を収容する。タブ２２は端子１１に
電気的に接続され、タブ２４は端子１２に電気的に接続されてそれぞれの電極へ
外部からの電気的接続をもたらす。
【００９３】 図２には、２つの電極２１および２つの電極２３が示されるが、実際の実施例
は、すべて相互接続されて予め定められた容量をもたらすはるかに多くの数のこ
のようなシート電極を含むことが認められるであろう。この形でのこの発明は、
容量のモジュラーユニットすなわち１つの電極２１、１つの電極２３および中間
セパレータ２５が容易に大量生産されかつ複数の同様のユニットと組合されて特
定の用途に必要な容量を与えるという点で特に有利である。したがって、特定の
性能特性を有するスーパーキャパシタは、大きな需要があるときと同じ単位原価
で容易にかつ少数だけ生産され得る。いくつかの実施例では、異なるサイズのハ
ウジングが求められる。しかし、ハウジングの相対的なコストは大きくない。
【００９４】 タブ２２および２４はそれぞれ中央に配置された開口２７および２８を含む。
これらの開口は同様のタブを電気的に相互接続するためのそれぞれの導電ロッド
２９および３０を受ける。次にロッドはハウジング２内でそれぞれの電極１１お
よび１２に電気的に接続される。
【００９５】 いくつかの実施例では、２つの隣接する電極２１および２３はともに折り曲げ
られて電極の一方の寸法を減じる。公知の容量が求められるが、パッケージング
の要件が非常に限られる状況ではこれは特に有利である。
【００９６】 別の実施例では、２つまたはそれ以上のシート電極およびともに螺旋に巻かれ
た１つまたはそれ以上の中間セパレータを用いることにより、同様の効果が達成
される。２つのシート電極は縦方向に細長くかつ横方向にオフセットされるため
、それらの対向する端縁がそれぞれのタブを規定する。この実施例では、シート
電極の長さは特定の容量の要件に合せられる。この種のスーパーキャパシタの製
造がこれから詳細に説明される。他の実施例では、図１を参照して説明されたも
ののように、同様の準備およびコーティング技術が用いられる。しかしながら、
当業者には明らかなように、図１のシート電極は巻かれるよりはむしろ積重ねら
れる。
【００９７】 スーパーキャパシタは２層タイプのものであり、螺旋に巻かれた構成向けには
、１つの好ましい実施例では、長さが２５００ｍｍ、幅が８５ｍｍであるアルミ
ニウムのシート電極を用いる。第１のステップは以下のものを含むコーティング
混合物の準備である。それらはすなわち、 高表面積炭素 導電性炭素 結合剤 界面活性剤および 水である。
【００９８】 コーティングのプロセスではワイヤバー（wire-bar）技術を用いるが、リバー
スロール、ドクターブレードなどの他の好適な技術も利用可能であることが当業
者には認められるであろう。
【００９９】 コーティング手順が完了したすぐ後、一切の残余の水分を取除き結合剤を硬化
させるため、電極スプールはオーブンに入れられる。これによりアルミニウムの
腐蝕も防ぐ。オーブンの温度は１１０℃から１４０℃の範囲に維持され、好まし
くは窒素気体を送風される。後者は酸化を最小化するためである。硬化の時間は
少なくとも５時間であり、ある状況下では一切の損傷がなければより長くたとえ
ば１２時間放置される。電極を取除くのに先だって、酸化を最小限にするため、
オーブンは室温に冷まされなければならない。
【０１００】 ホイルの狭い幅をコーティングするよりも、アルミニウムホイル電極の全幅を
コーティングしてその後所望の幅に細く切ることがより好都合である。いくつか
の実施例では、コーティングされていない端縁が用いられ、それに従って炭素層
が設けられる。
【０１０１】 シート電極は片側をコーティングされたのみであるが、他の実施例では、それ
は両側のコーティングを含む。しかしながら他の実施例では、両側をコーティン
グするよりもむしろ、片側をコーティングされた２枚のシートが背中合せの構成
に設けられて両面電極を規定する。すなわち、ホイル電極は接着されるかまたは
さもなければそれぞれの炭素層が外向きになりかつ隣接する電極上の炭素層と対
向するようにともにしっかりと固定される。
【０１０２】 各々の端の接続がただ１つの電極としかもたらされないように、２つの電極間
にオフセットが必要である。
【０１０３】 アルミニウムの噴霧によって端子が形成される実施例では、平坦な端縁を用い
て各々の電極の対向する自由端縁を９０°曲げる。これにより端子の形成に用い
られるアルミニウムの噴霧の浸透を止める。この曲げは、素子が回転している間
に２０ｃｍのへらの平坦な端を用いて行なわれるのが好都合である。好ましい実
施例では、電極の端縁の約１ｍｍから２ｍｍが曲げられる。長い方の軸に沿って
素子を見たとき、電極間のギャップが見えてはならない。
【０１０４】 アルミニウム噴霧のプロセスのより詳細な説明は同時継続中のＰＣＴ出願番号
ＰＣＴ／ＡＵ９８／００４０６に見られ、その詳細は相互参照により本明細書中
に援用されている。
【０１０５】 しかしながら簡単に言えば、注記されるのは、巻き線との電気的な接続をもた
らすのにアルミニウム金属噴霧が用いられることである。炎の非常に高い温度の
ために、素子にわたる噴霧器の安定した動きは、噴霧器の先端から約２０ｃｍの
距離をおいて各々の素子にわずか約１秒から２秒のみしか用いられない。この動
きが３度繰返されてから、素子が回転されて残りの側面が噴霧される。このプロ
セスは、連続したアルミニウム面ができるまで、熱すぎて素子に触れられなけれ
ば冷却期間を間に挟んで、必要なだけ繰返される。あるセパレータは低い軟化温
度を有し、その温度よりも上では横方向に縮むことが認められる。
【０１０６】 十分なアルミニウムが一旦付着すると、端子を取付けるのに十分な平滑な平坦
域が得られるまで、端が研削される。研削の間に大量の熱が発生するため、キャ
パシタを過熱させないように注意が払われる。この平坦域は、各々の端ごとに異
なるが、端全体ほど大きくなくてもよい。下方端すなわち上面７から最も遠くに
配置されることが意図される端に、コアから径方向に延在する平坦なタブを溶接
される電極が設けられる。したがって、少なくとも１０ｍｍの幅のかつ平滑な表
面を有する平坦域がコアから端縁まで必要である。上端の端子はコアと端縁の中
間に接線方向に溶接され、したがって平滑であるためには端の約１／３または１
／２を必要とする。
【０１０７】 次に端子タブのレーザ溶接が行われる。この装置は５００Ｗ連続定格のLasag
社のNd：YAGレーザであった。３ｍｍまでの間隔を空けた少なくとも２つの８ｍ
ｍの溶接の列が各々のタブ上に作られた。ビームは約１４０ｍｍ／分で動かされ
、２９．５ジュール／パルスのエネルギで１０Ｈｚでパルスされる。
【０１０８】 金属缶の形であるパッケージに現在形成されたキャパシタ素子の最終的な設置
に先立って、端子とアルミニウムを噴霧された上面との間にテフロン（登録商標 ）の絶縁体が設けられて、底面からの端子が上面に触れて短絡を起こすのを防ぐ 。この絶縁体は１ｍｍの厚みのテフロンの円板であり、真中に３ｍｍの穴を開け られ、この穴から端縁まで径方向のスリットを有する。この穴は中央の端子上の 絶縁体の位置決めをし、この端子がアルミニウムの端の接続に触れるのを防ぐ。 テフロンの円板もパッケージの中に設けられて缶から素子の底面を絶縁する。ほ とんどの場合、発泡ポリプロピレンが缶の底面に配置されて素子をしかるべき場 所に保持する。しかしながら他の実施例では、成形プラスチックロケーターが用 いられる。
【０１０９】 容量素子が一旦缶の中に設けられると、一切の水分を取除くため最終の乾燥の
ステップが実行される。これは最大温度８０℃で真空オーブン中で実行される。
この低温乾燥はセパレータの軟化を回避する。低温乾燥は、１５０Ｐａよりもよ
い真空をもたらすことができる回転真空ポンプを用いて約１２時間実行される。
【０１１０】 次に、上方向に延在する端子を除いて容量素子が完全に覆われるように、電解
質が缶に加えられる。オーブンの中の圧力は、炭素の穴に閉じ込められた気体が
取除かれるように約５３Ｐａに徐々に減じられる。最初のガス抜きが落ち着くと
、真空は８Ｐａに増加される。この過程はオーブンを６０℃に暖めることによっ
て促進される。約３０分後、ガス抜きは実質的に止まったはずであり、オーブン
は窒素により大気圧にもたらされる。その後キャパシタがオーブンから取出され
る。さらなる電解質が加えられ、電解質が入らなくなるまでこの過程が繰返され
る。２サイクルまたは３サイクルが行なわれるのが通常である。最後に、一切の
余分の電解質が取除かれる。
【０１１１】 次にキャパシタは端子上に上面を取付けることによって完成される。この実施
例では上面はベークライトからなるが、他の実施例では他の材料が用いられる。
缶の最上端縁は１００ｒｐｍまでで小型のボール盤の封止工具を用いて上面の周
を丸く形作られる。
【０１１２】 好ましくは、２つのタイプの炭素がキャパシタで用いられる。第１に高表面積
炭素または活性炭、第２に導電性カーボンブラックなどの炭素である。
【０１１３】 電極は好ましくはアルミニウムホイルである。 この実施例では、電解質は炭酸プロピレン（ＰＣ）に溶解されたテトラエチル
アンモニウムテトラフルオロホウ酸塩（ＴＥＡＴＦＢ）の１．０Ｍの溶液からな
る。すなわち、１リットルの溶液中２１７グラムのＴＥＡＴＦＢである。電解質
中の水の量は絶対最小値に保たれ、好ましくは５０ｐｐｍよりも少ない。したが
って、シグマアルドリッチ社が生産するような無水物ＰＣが用いられる。さらに
、ＴＥＡＴＦＢは使用に先立って徹底的に乾燥される。約６時間または水分含有
量を十分に減じるのに足る時間の間、１６０℃の真空オーブン乾燥によってこの
乾燥が達成される。
【０１１４】 ＴＥＡＴＦＢは溶解が遅く、室温でそれが完全に溶解するのに２４時間かかる
のは珍しいことではない。しかしながらこの好ましい方法は、溶液を５０℃に加
熱することによりこの時間を減じる。水分含有量を低く保つため、電解質の準備
は乾燥した窒素グローブボックス中で行なわれる。
【０１１５】 この発明での使用のために、セパレータは望ましい多孔性、強さおよび薄さを
有する。
【０１１６】 この発明の代替的な実施例が図３および図４に示される。この実施例では、基
本的な容量ユニットは、図４に最もよく示されるように、ともに折り曲げられた
２つの同様のシート電極３５および３６を含む。各々のシート電極は矩形であり
、４つの隣接する端縁３７、３８、３９および４０を含む。それぞれ開口４３お
よび４４を有する対称に間隔を空けられた２つのタブ４１および４２は、端縁４
０から外向きに延在する。これらのタブは、複数の同様のタブとともにそれらが
接続されかつキャパシタ１の端子１１または１２にまとめて電気的に結合される
という点において、図２のタブ２２および２４と同様に機能する。
【０１１７】 使用の際、各々の電極３５および３６は、端縁３７および３９と平行な軸４５
の付近で中央で折り曲げられる。図４に示されるように、各々の電極は、各電極
の端縁３９が他の電極の軸４５と隣接して存在するように、他の電極と交互に配
される。多孔質セパレータ４６も電極の各々の隣接する部分の間に含まれる。図
４の例示はこの発明の構成の理解を助けるように概略的に示されたものであるこ
とがわかる。実際には、隣接する電極およびセパレータは、図４に示された間隔
を空けられた構成というよりはむしろ互いにすぐ近くに隣接している。
【０１１８】 電極３５および３６は、上述のように与えられる１層の活性炭を各々の側に含
む。しかしながら、当業者には認められるように、上述の方法の巻くステップは
、予め定められた複数の容量素子を折り曲げて次に積重ねてスーパーキャパシタ
１に所望の電気的特徴をもたらすステップと置換えられる。
【０１１９】 複数の容量素子が用いられるところでは、隣接する素子間に多孔質セパレータ
が配置されて電気的短絡を防ぐ。
【０１２０】 いくつかの実施例では、電極３５および３６はまずともに広範囲にセパレータ
と当接し次に一緒に折り曲げられる。
【０１２１】 他の実施例では、一方の電極の端縁４０は、タブ４１および４２が互いから離
れて延在するように、他方の電極の端縁３８と隣接して存在する。いくつかのこ
のような実施例では、各々が軸４５と平行でかつそれからの間隔を空けられた複
数の軸に沿って、各々の電極が他の電極および中間セパレータとともに折り曲げ
られる。さらなる実施例では、電極は、軸４５と垂直である１つまたはそれ以上
の軸に沿って折り曲げられる。代替的な実施例では、電極３５および３６は、軸
４５と平行な少なくとも１つの軸および軸４５に垂直な少なくとも１つの軸に沿
って折り曲げられる。
【０１２２】 この発明およびその適用例をさらに示すため、スーパーキャパシタの開発の理
論的かつ実践的基礎を見ることが有用である。より特定的には、この発明のスー
パーキャパシタは高電力の適用例に用い得ることが認められる。このようなスー
パーキャパシタの特徴により、適用例に求められる効率、サイズおよび質量が規
定される。所与の質量または容積および容量については、高効率のスーパーキャ
パシタを低効率のスーパーキャパシタと区別する（等価直列抵抗またはｅｓｒと
して公知の）のは、電気抵抗の特徴である。すなわち、損失を最小化するため、
高電力の適用には低いｅｓｒが望ましい。
【０１２３】 いずれのキャパシタに対しても、質量および容積を増すことによって電気抵抗
を減じることができる。しかしながら、結果として望まれるのは、容量を維持し
ながら、抵抗、質量および容積を同時に減少させることである。
【０１２４】 電気抵抗に寄与するファクタには以下のものが含まれる。すなわち、炭素ベー
スのスーパーキャパシタとしての、炭素の固有の導電性、両面抵抗、金属電極お
よび接続抵抗ならびに電解質およびセパレータの抵抗である。高効率の動作を達
成するため、これらの要因を最小化するよう試みられてきた。
【０１２５】 従来のキャパシタでは、誘電体によって分離された２つの平坦な電極間に電流
の流れが存在する。炭素ベースのキャパシタは同様の態様で作られるように見え
るが、金属電極間の材料は誘電体ではなく、高表面積炭素、電解質およびセパレ
ータ（活性材料）である。誘電体は炭素表面にあるナノメータ薄の溶媒の層であ
る。電流は金属電極からこれらの材料を通って流れるため、それらの抵抗はキャ
パシタのｅｓｒを減じるよう最小化されなければならない。これは、たとえば炭
素コーティングの密度を増すことまたはより薄いコーティングを用いることによ
り、活性材料の厚みを減じることで達成される。このような線に沿った別の試み
は、より薄いセパレータを用いることである。電流が流れなければならない経路
を最小化することにより、厚みの減少が電解質の抵抗成分も減じる。
【０１２６】 活性材料の抵抗を減じる別の手段は、より導電性の高い炭素および電解質を用
いることである。より導電性の高い活性材料をより薄い設計と組合せることで、
質量および／または容積を維持または減少させながら、高電力が達成できる。
【０１２７】 一般的に時定数と称される、抵抗と容量（ＲＣ）の積がキャパシタを特徴づけ
るのにしばしば用いられる。理想的なキャパシタでは、時定数は周波数独立であ
る。しかしながら、炭素ベースのスーパーキャパシタでは、ＲとＣの両者とも周
波数依存である。これは、高表面積炭素の微孔質の特徴および炭素表面上の電気
二重層の電荷蓄積の性質から発生する。スーパーキャパシタのＲとＣを測定する
従来の方法は、定電流充電または放電を用いることならびにサイクルの開始また
は終了の際の電圧ジャンプおよびそれぞれサイクルの間の電圧の変化率を測定す
ることである。しかしながらこれは、高周波数のＲおよび低周波数のＣをもたら
す効果がある。別のより好適な方法は、複素インピーダンスの周波数応答を測定
することおよび単純なＲＣ素子をデータにモデル化することである。これは、定
電流技術を用いて測定されたものと相関し得るまたは相関し得ない周波数範囲に
わたってＲおよびＣの推定値を与える。キャパシタの好適性の尺度としてＲＣ時
定数を用いることにより大きな不確実さを被ることは明らかである。電流および
電圧の位相角が−４５°である周波数でＲとＣが測定されるよりも有用な技術が
最近提案された。この周波数の逆数は「応答時間」であり、他の方法よりもより
明確に規定される。さらに、次にこの周波数での容量がエネルギを計算するのに
用いられて、質量または容積で正規化されると効果尺度（ＦＯＭ）をもたらし得
る。
【０１２８】 いずれのキャパシタからも利用可能な理論上の最大電力は、電圧の二乗をｅｓ
ｒの４倍で除した商である。質量または容積に正規化されると、これは理論上の
最大出力密度をＷ／ｋｇでもたらす。最大電力は、（上記に示されたように）抵
抗を減じること、動作電圧を増すことまたはその両者のいずれかによって増加さ
れ得るのは明らかである。動作電圧の増加は、スーパーキャパシタの材料の構成
の一切の変化なしに、キャパシタが動作する電圧窓を最大化することによって達
成できる。対称な炭素ベースの電極を備えるスーパーキャパシタでは、電圧は両
電極に等しく分配される。動作の間、最大キャパシタ電圧は最も弱い電極の降伏
電圧によって限定される。より高い動作電圧は、各電極の容量を調整して利用可
能な電圧窓を十分に活用することにより達成できる。各々の電極で異なる炭素ロ
ーディングを用いることにより、これは好都合に達成される。
【０１２９】 この明細書中に説明される発明の局面は、目標とされたエネルギおよび出力密
度が新しいスーパーキャパシタの設計および関連する製造プロセスによって達成
されるのを可能にする。移動体通信での適用に好適な、非常に薄い、高電力のキ
ャパシタが１つの結果である。別のものはハイブリッド電気自動車の負荷の平準
化に好適である。これらの具体例が以下の説明にさらに示される。
【０１３０】 ［例］ 例１ 図５から図７に概略的に示されるように、スーパーキャパシタ５１は第１の複
数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５２の形の第１の電極を含む。
第２の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５３の形の第２の電極
は、シート５２と交互に配されかつそれらと対向する。複数の多孔質セパレータ
５４は隣接するシート５２と５３の間に介在される。矩形の封止されたプラスチ
ックパッケージ５５は、電極５２および５３、セパレータ５４ならびに電極が浸
漬される電解質５６を収容する。この実施例では、電解質はＴＥＡＴＦＢを用い
たアセトニトリルである。矩形のタブ５７および矩形のタブ５８は一体となるよ
うに形成され、シート５２および５３のそれぞれから上方向に延在する。タブ５
７は端子５９に当接しかつ電気的に接続され、タブ５８は端子６０に当接しかつ
電気的に接続される。この電気的接続はこの実施例では超音波溶接によってもた
らされる。端子５９と６０の両者は、パッケージ５５から延在してそれぞれの電
極への外部からの電気的接続をもたらす。
【０１３１】 シート５２および５３の各々は、約７０ｍｍの幅、約１７０ｍｍの高さおよび
約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々５０枚のシート５
２および５３、すなわち合計で１００枚のシートが用いられる。これにより電極
の総面積５９５０ｃｍ2が与えられる。
【０１３２】 図面に示されるように、シート５２および５３は、前述の実施例を参照して説
明されたように、片側のみを活性炭層６２で各々がコーティングされる。適切な
ところでは、２枚の同様のシートが背中合せで当接して、シートの他方上の同様
の炭素層と対向する外向きの活性炭層を設ける。この実施例では、層６２はシー
トにわたって実質的に均一であり、約３６ミクロンの厚みを有する。
【０１３３】 パッケージ５５は、外部寸法が約１７ｍｍ×１１０ｍｍ×１９０ｍｍを有する
、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。端子５９および６０がパッケージを
通って延在するところでは、適切な封止材を用いてパッケージ５５から電解質５
６が出るのを防いだり、また重要なことには、パッケージ５５への空気、水分ま
たは他の汚染物質の浸入を防いだりする。
【０１３４】 当業者には認められるように、セパレータ５４は間隔を空けられた構成にある
対向する層６２を維持してその間の電気的導通を防ぐ。しかしながら、セパレー
タ５２は層６２間の電解質内のイオンの動きを許す。この特定の実施例では、セ
パレータ５４はシート５３の背中合せの対の付近で折り曲げられる。
【０１３５】 スーパーキャパシタ５１は定格を２．５ボルトとし、２７０ファラッドの公称
容量を与える。しかしながら、電解質およびパッケージを含む全体の重量は２９
５グラムであることが重要である。測定された１秒のＴ0と組合せてこれらの数
字を用いることにより、２．２ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６ワット
／ｃｍ3が与えられる。
【０１３６】 単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約１ｍΩであり、ＲＣ時定数は
約２８０ｍｓである。
【０１３７】 例２ この発明に従って作られたスーパーキャパシタ７１の別の具体例が図８および
図９に概略的に示される。これらの図面では、対応する参照番号によって対応す
る特徴が示される。
【０１３８】 シート５２および５３の各々は、約４０ｍｍの幅、約４０ｍｍの高さおよび約
２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々４０枚のシート５２
および５３、すなわち合計で８０枚のシートが用いられる。これにより電極の総
面積６４０ｃｍ2が与えられる。
【０１３９】 この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約
３６ミクロンの厚みを有する。
【０１４０】 パッケージ５５は、外部寸法約１０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有し、ＡＢＳ
からなる矩形の柱状の形を有する。
【０１４１】 スーパーキャパシタ７１は定格を２．５ボルトとし、３０ファラッドの公称容
量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は２５グラムである。測
定された０．４８秒のＴ0と組合わせてこれらの数字を用いることにより、２．
７１ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび２．７１ワット／ｃｍ3の容積ＦＯＭが
与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約４ｍΩであり、Ｒ
Ｃ時定数は約１２０ｍｓである。
【０１４２】 例３ この発明に従って作られたスーパーキャパシタの別の具体例は、図８および図
９に示されたのと同じ構造のものである。しかしながら、この実施例では、各々
２０枚のシート５２および５３、すなわち合計で４０枚のシートが用いられる。
これにより電極の総面積３２０ｃｍ2が与えられる。
【０１４３】 この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約
１２ミクロンの厚みを有する。
【０１４４】 パッケージ５５は、外部寸法約５ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有する、ＡＢＳ
からなる矩形の柱状の形を有する。
【０１４５】 この例のスーパーキャパシタは定格を２．５ボルトとし、１０ファラッドの公
称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１７グラムである
。測定された０．１１秒のＴ0と組合わせてこれらの数字を用いることにより、
２．６４ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび３．００ワット／ｃｍ3の容積ＦＯ
Ｍが与えられる。
【０１４６】 単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約５ｍΩであり、ＲＣ時定数は
約５０ｍｓである。
【０１４７】 例４ 図１０、図１１および図１１Ａにはスーパーキャパシタ８１が示され、対応す
る参照番号によって対応する特徴が示される。上述の他の例と同様に、シート電
極が用いられる。しかしながら、これらのシートはクレジットカードまたはスマ
ートカードのサイズのパッケージ８２内に収容される。
【０１４８】 各々のシート５２および５３は、約４０ｍｍの幅、約６５ｍｍの高さおよび約
２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々３枚のシート５２お
よび５３、すなわち合計６枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積７
８ｃｍ2が与えられる。
【０１４９】 ここでも層６２はシートにわたって実質的に均一であり、約１２ミクロンの厚
みを有する。
【０１５０】 パッケージ５５はＰＶＣシートからなる矩形の柱状の形を有し、外部寸法約２
ｍｍ×５４ｍｍ×８６ｍｍを有する。
【０１５１】 スーパーキャパシタ８１は定格を２．５ボルトとし、０．３ファラッドの公称
容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１２グラムである。
測定された０．０３７秒のＴ0と組合わせてこれらの数字を用いることにより、
１．２７ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６８ワット／ｃｍ3の容積ＦＯ
Ｍが与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約２２．５ｍΩ
であり、ＲＣ時定数は約６．３ｍｓである。
【０１５２】 例５ スーパーキャパシタ９０の形の多重または複合電荷蓄積装置が図１８に概略的
に示される。スーパーキャパシタ９０は、アルミニウムシート９４および９６に
よってまとめて規定される第１のシート電極を含む。他の実施例では、単一の折
り曲げられたシートが用いられる。当業者には単一のシートを用い得ることも認
められるであろう。
【０１５３】 シート９４と９６の両者は第１の端子（図示せず）に電気的に接続される。シ
ート９４はその片側上に第１のコーティング９５を含み、シート９６の反対側に
は第２のコーティング９７を含む。第１のコーティングは第１の予め定められた
厚みのものであり、第２のコーティングは第１の厚みとは異なる第２の予め定め
られた厚みのものである。第２のシート電極９８は第２の端子９２に電気的に接
続され、電極９４の片側に隣接して配置される。また、電極９８はその片側上に
、第１の予め定められた厚みと等しい第３の予め定められた厚みの第３のコーテ
ィング１９９を含む。コーティング１９９はコーティング９５と対向する。第３
の電極２００は端子９２と電気的に接続され、シート９６に隣接して配置される
。電極２００はその片側上に、第４の予め定められた厚みの第４のコーティング
２０１を含む。さらに、コーティング２０１はコーティング９７と対向する。他
の実施例と同様に、それぞれの隣接する電極間に複数の多孔質セパレータが配置
される。さらに、スーパーキャパシタ９０は、電極、１つまたはそれ以上のセパ
レータおよび電解質を収容するためのパッケージ９１を含み、それを通して端子
が延在して、それぞれの電極に外部から電気的な接続がもたらされる。
【０１５４】 この実施例のすべてのコーティングは同じ調製を用いる。しかしながら、スー
パーキャパシタを構成する２つの容量セルが互いに平行であることを考慮すれば
、異なる厚みはスーパーキャパシタ９０に多重または複合時定数を与える。この
場合、セルはそれぞれ対向しかつ隣接する炭素コーティングによって規定される
。
【０１５５】 他の実施例では、コーティングの厚みは同じであり、コーティングの調製はセ
ル間で変化して、容量の差をもたらす。これは次に、多重または複合時定数スー
パーキャパシタを与える。
【０１５６】 例６ スーパーキャパシタ９９の形の代替的な多重または電荷蓄積装置が図１９に概
略的に示される。このスーパーキャパシタは、第１の端子（図示せず）に電気的
に接続されかつ第１の予め定められた厚みを有する第１のコーティング１０２を
その片側に含む、第１のシート電極１００を含む。第２のシート電極１０３は、
第２の端子（図示せず）に電気的に接続され、電極１００に隣接して配置される
。第２の電極はその片側に、第２の予め定められた厚みを有する第２のコーティ
ング１０６を含む。示されたように、コーティング１０６はコーティング１０２
と対向する。
【０１５７】 多孔質セパレータ５４は隣接した電極間に配置されて、固定された間隔をあけ
られた構成にこれらの電極を維持する。さらに、パッケージ１０５は、電極、セ
パレータおよび電解質を収容し、それにより端子（図示せず）がパッケージから
延在して、それぞれの電極への外部からの電気的接続を可能にする。
【０１５８】 別個の電極にわたり炭素の厚みが異なるこの配置により、多重または複合時定
数スーパーキャパシタも提供される。
【０１５９】 便宜上、図１９に示された電極の対はセルとして規定される。他の実施例では
、ともに積み重ねられかつ平行に接続されて所望の容量を与える複数の同様のセ
ルが用いられる。好ましくはまた、１つのセルのより薄い端およびより厚い端が
少なくとも１つの隣接するセルのそれぞれより厚い端およびより薄い端と並列さ
れるように、セルが積み重ねられる。
【０１６０】 他の実施例では、上述の例と同様の構造であるが異なる物理的パラメータを備
えるものが用いられて異なる特徴をもたらす。そのような代替的な物理的パラメ
ータおよび結果として生じる特徴のいくつかの例が図１７および図２０の表に示
される。参照を容易にするため、図１２は、図１７に示されたこの発明の例のた
めの重量ＦＯＭ対Ｔ0のグラフでの表示を示し、図中、基準平面上のスーパーキ
ャパシタのそれぞれの場所が図１７の表中の項目番号に対応する数字によって表
わされる。図１３は、容積ＦＯＭ対Ｔ0を示すスーパーキャパシタの例のための
対応する表示を示す。
【０１６１】 図１７に項目１２として示されるスーパーキャパシタは、直列に接続される容
量セルの対の平行な組合せを含む。したがって、公称動作電圧は５ボルトである
。他の実施例では、３つ以上の容量セルが直列に接続されて、より高い動作電圧
をもたらす。
【０１６２】 この発明のキャパシタを技術分野でより一般的に用いられる基準で特徴づける
ことも有用である。より特定的には、スーパーキャパシタから利用可能な最大電
力（Ｐmax）は以下の方程式を用いて計算された。 Ｐmax＝Ｖ2／４Ｒ 式中、Ｖはキャパシタの最大動作電圧であり、Ｒはキャパシタの単純ＲＣモデル
から定められた抵抗である。
【０１６３】 図１７の例のＰmaxの値は、一方ではそれぞれの装置の質量で除算されて重量
Ｐmaxを与え、他方ではそれぞれの装置の容積で除算されて容積Ｐmaxを与えた。
次にこれらの値は時定数に対してそれぞれ図１４および図１５にプロットされた
。
【０１６４】 図１２から図１５にまとめて特に示されたように、上述の例に説明されたスー
パーキャパシタは非常に有利なパルス電力負荷の特徴をもたらす。すなわち、低
い応答時間Ｔ0および時定数は、負荷の切換またはパルス化が発生する適用例で
遭遇するのと同様に、高周波数負荷に対する優れた過渡応答を確実にする。例に
示された高い重量ＦＯＭおよびＰmaxならびに高い容積ＦＯＭおよびＰmaxと組合
わせると、これは、この発明が広範囲の用途に適用されるのを可能にする。この
点を示すため、例１のスーパーキャパシタは、回生ブレーキングおよび短期間の
高いトルクの設備を容易にする高電力自動車への適用ならびに対応する高い電流
負荷の必要性に対して主に意図される。しかしながら、例４のスーパーキャパシ
タは、携帯電話のバッテリと並行して用いることが主に意図される。
【０１６５】 図１２から図１５のグラフの各々は、示された範囲の上部領域にわたって延在
する、２本の実線を含む。各々の場合、これらの線は、図１７に示された例３お
よび例１２向けに示されているさまざまなパラメータの理論上の上限を表わす。
特徴の所与の組合せおよび炭素コーティングの所与の調製については、パッケー
ジングの容積または質量の装置全体への寄与が小さい、理論上の最大値が存在す
る。他の調製については、理論上の最大値は異なる。
【０１６６】 本明細書中の教示の利点により、スーパーキャパシタのさまざまなパラメータ
がいずれの特定の用途の特定の要件にも合うように容易に調整されるという点に
おいても、この発明が有利であることが当業者には認められるであろう。すなわ
ち、この発明は寸法適用に特に適する。例として、図１６は、この発明の多数の
他の実施例向けのさまざまな計算された特徴を示す。より薄い層は、より低い時
定数と応答時間だけでなく、より高い出力密度と効果尺度をもたらすことをこれ
は示している。
【０１６７】 図に含まれる実線は２つの所与の調製の限界を表わすことがわかる。しかしな
がら、拡大された動作性の範囲をもたらしかつより低い時定数だけでなくより高
い効果尺度と出力密度を達成することを可能にする他の調製が存在する。
【０１６８】 図１６の計算は以下のものの抵抗を含む装置の抵抗に基づくものである。それ
らはすなわち、 １．端子、 ２．アルミニウム電極、 ３．電極／炭素インターフェイス、 ４．炭素粒子間インターフェイス、 ５．炭素層の中の電解質および ６．セパレータの中の電解質、である。
【０１６９】 この発明はこのモデルを用いて、高容量、高い効果尺度、高い出力密度および
所望の応答時間を依然として提供しながら、さまざまな抵抗を最適化する。
【０１７０】 重量ＦＯＭは重量出力密度に従って尺度が決まることが予測され、容積ＦＯＭ
は容積出力密度に従って尺度が決まることが予測される。これらの後者の量は、
Ｖ2、１／Ｒおよび１／質量または１／容積のいずれかに比例する。したがって
、適用のために最適化される所与の電圧に対し、ＦＯＭの増加は、減少するＲ、
減少する質量および減少する容積によりもたらされる。コーティングの所与の調
製および所与の厚みについては、Ｒは電極の面積と本質的に反比例する。最小限
のパッケージの質量または容積については、質量および容積は電極の面積に比例
する。したがって、「より大きな」装置を作ることは、より少ないパッケージン
グによりＦＯＭを僅かに増加させるにすぎない。したがって、装置の所与のサイ
ズについては、装置にとって望ましい時定数または応答時間と両立するコーティ
ングの厚みを減じることにより、抵抗が最小化される。次に、炭素の混合の選択
およびコーティング材料の調製によって、装置の容量が定められる。
【０１７１】 この発明のスーパーキャパシタの優れた性能は、炭素粒子およびプロトン化さ
れたカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の混合剤の使用によってもたらされ
る個別の炭素粒子間の向上した導電性により寄与されるとも考えられる。理論に
縛られることを望まなければ、そのような向上した導電性は以下に示される多数
の要因の結果であると考えられる。それらはすなわち、個別の炭素粒子の増加し
た密集度、個別の炭素粒子の表面上の分子間空間への増加した電解質の移動およ
び炭素粒子と電解質間のインターフェイス領域のサイズの全体的な減少である。
高表面積炭素と高導電性炭素の混合がこれらの効果を最適化すると考えられる。
【０１７２】 さらに、プロトン化されたＣＭＣの相対的な不溶性がこの発明のスーパーキャ
パシタの増加した全体的な寿命に寄与する。
【０１７３】 「浸漬された」という用語または同様の用語は、他に明確に注記されなければ
、電解質の中の電極の配置を参照して用いられる際に、過剰な電解質が用いられ
るそれらのスーパーキャパシタだけでなく電解質の量が電極を単に湿らせるのに
十分なスーパーキャパシタも含むことが意図されることがわかる。すなわち、電
解質の量は、スーパーキャパシタの動作を可能にするのに十分な量だけ必要であ
る。
【０１７４】 上述の例は別々のセルに主に関するが、この発明はバイポーラ構成にも適用可
能なことも認められる。
【０１７５】 さらに、「有機電解質」という用語または同様の用語が有機溶媒中の電解質を
指すことが認められる。
【０１７６】 比較の目的のため、図１７は、いくつかの先行技術のスーパーキャパシタだけ
でなくこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表を提供する。
【０１７７】 図２１を参照すると、電荷蓄積装置３０１は封止された柱状のハウジング３０
２を含む。２つの対向する折り曲げられた矩形のアルミニウム電極３０３および
３０４がハウジング３０２内に配置され、それぞれ金属端子３０５および３０６
に接続されて電極への外部からの電気的接続を可能にする。ソルポア（登録商標
）シートセパレータ３０７は電極３０３および３０４の間に配置され、それらの
電極を固定された間隔をあけられた構成に維持する。電解質（図示せず）も電極
間に配置される。
【０１７８】 セパレータ３０７は「ポケット」構成に形成され、それは折り返され、横方向
の端はともに固定されて横方向の端の間に開口３０８を設ける。図示を容易にす
るため、セパレータ３０７は２本の折り曲げ線を有するように示される。しかし
ながら実際には、対向する電極に対してセパレータが直接的に隣り合うと、１本
の折り曲げ線が用いられる。セパレータの多孔質の性質により、電極間の電解質
中のイオンの移動が可能になる。
【０１７９】 各々の電極は、それぞれの端子３０５および３０６と電気的に係合する少なく
とも１つのタブ３０９を有する単一の同様のアルミニウムシートから形成される
。電極は、図面に示される重なりおよび入れ子状の構成に折り曲げられる。ここ
でも、図示を容易にするために、電極３０４が２本の折り曲げ線で示されること
がわかる。しかし実際には、この電極がセパレータ３０７に対して直接的に隣り
合うように単一の折り曲げが作られる。
【０１８０】 電極３０３は開口３０８内で受けられ、タブ３０９のみが「ポケット」または
パウチから延在するようにセパレータ３０７によって包まれる。次にこの電極と
セパレータとの組合せが折り曲げられた電極３０４に挿入されて単一の容量セル
を完成する。この実施例では単一のセルのみが示されるが、他の実施例では２つ
またはそれ以上のこのようなセルが用いられる。電極の電極面積は約１０２ｃｍ 2 であり、２．５ボルトで約２８ファラッドの公称容量を与える。
【０１８１】 各々の電極３０３および３０４は活性炭の高表面積コーティング３１０を含む
。このコーティングは予め定められた厚みのものであり、炭素と電極間の密な係
合を容易にする結合剤を含む。
【０１８２】 端子３０５および３０６はハウジング３０２の内側から外側に延在するため、
それらはそれぞれの端の間をハウジングと封止するように係合される。この実施
例では、封止係合は２つのゴムのグロメット３１１および３１２により行なわれ
る。他の実施例では、他の材料または材料の組合せから作られるグロメットが用
いられる。たとえば、ある装置はシリコンの封止化合物および接着剤を用いる。
【０１８３】 図２２から図２４を参照して、電極３０３および３０４がより詳細に説明され
る。より特定的には、図２３に最もよく示されるように、電極３０３は実質的に
矩形であり、２つの矩形のサブシート３１５および３１６を含む。サブシートは
一体となるように形成され、共通の端縁３１８を規定する折り曲げ線３１７のま
わりで対称である。シート３１５および３１６は、図２４に示されるように隣接
してまとめてタブ３０９を規定する、それぞれ一体として形成された矩形のサブ
タブ３１９および３２０を含む。
【０１８４】 シート３１５は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけ
られかつ平行な端縁３２１および３２２を含む。さらなる端縁３２３は端縁３２
１と３２２の間に延在する。図２３にも示されるように、タブ３１９は、端縁３
２２と端縁が会うところに隣接する端縁３２３から離れて延在する。同様に、シ
ート３１６は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけられ
かつ平行な端縁３２５および３２６を含む。さらなる端縁３２７は端縁３２５と
３２６の間に延在する。また同様に、タブ３２０は、端縁３２６とその端縁が会
うところに隣接する端縁３２７から離れて延在する。
【０１８５】 電極３０３は片側のみを活性炭でコーティングされ、次に、図２１に示される
ようにコーティングされた側が外向きになるように線３１７の付近で折り曲げら
れる。
【０１８６】 電極３０４は、それぞれのタブ３０９が間隔をあけられるように、それが反対
の向きに交互に配されることを除けば、電極３０３と同じである。これは以下に
詳述される。便宜上、電極の対応する特徴は対応する参照番号で示される。
【０１８７】 セパレータ３０７は、縮尺に従わずに図２２に平面で示され、共通の端縁３３
３に沿って一体として形成される２つの矩形のサブシート３３１および３３２を
含む。この端縁も折り曲げ線３３４を規定する。シート３３１は、垂直方向に端
縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３３５およ
び３３６も含む。自由端縁３３７は端縁３３５と３３６の間に延在する。同様に
、シート３３２は、垂直方向に端縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあ
けられかつ平行な端縁３３９および３４０を含む。自由端縁３４１は端縁３３９
と３４０の間に延在する。
【０１８８】 製造の間に、電極３０３は、シート３１５および３１６のコーティングされた
側が反対にかつ外向きになるように、線３１７の付近で折り曲げられる。さらに
、タブ３１９および３２０が当接する。これとは別に、セパレータ３０７は、端
縁３３５および３３９が平行でかつともに当接し、端縁３３６および３４０が平
行でともに当接し、かつ端縁３３７および３４１が平行に互いに隣接するように
、線３３４の付近で折り曲げられる。その後、端縁３３５および３３９がともに
結合され、端縁３３６および３４０がともに結合される。いくつかの実施例では
、これは接着剤を用いて達成され、他の実施例では熱溶接または他の熱処理が用
いられる。さらなる実施例では、端縁は結合されない。
【０１８９】 図２４に最もよく示されるように、電極３０３は次に、セパレータ３０７によ
って形成される「パウチ」または「ポケット」内で入れ子状にされる。示された
ように、セパレータは電極３０３の実質的にすべてを包み、以下に説明されるよ
うに、電極３０３および３０４を間隔をあけた構成に維持する。タブ３０９は、
隣接する端縁３３７および３４１を超えて外向きに延在して、端子３０５へのそ
の電気的接続をもたらす。図示を容易にするため、図２４に、セパレータ３０７
は熱溶接により結合された端縁３３６および３４０とともに示されるが、端縁３
３５および３３９はまだ結合されていないが隣接している。
【０１９０】 次に電極３０４は、電極３０３を形成するのと同様のコーティングされたシー
トを折り曲げることにより形成される。より特定的には、折り曲げは、シート３
１５および３１６のコーティングされた側が対向しかつ内向きになるように、折
り曲げ線３１８に沿って作られる。さらに、タブ３１９および３２０は互いに隣
接しかつ対向する。次に図２４のアセンブリは、図２５に最もよく示されるよう
に電極３０４内に入れ子状にされ、電極のそれぞれのタブ３０９は間隔をあけら
れる。次に電極３０４のタブ３１９および３２０は、端子３０６に当接しかつ固
定されて電極への外部からの電気的接続をもたらす。
【０１９１】 図２５の電極のアセンブリは単一セルと称され、本明細書中の教示から当業者
には認められるように、複数のセルが平行に接続されてスーパーキャパシタ３０
１の容量を比例して増すことができる。他の実施例では、複数のセルが平行に積
み重ねられて、同様の電極３０３および３０４に対するそれぞれのタブ３０９が
同様のタブの２つの間隔をあけられた積み重ねを形成する。各々の積み重ねの中
のタブは次にともにクランプされ、積み重ねがそれぞれの端子３０５および３０
６に電気的に接続される。
【０１９２】 この発明の好ましい実施例は非水性の電解質を用いて高いエネルギ密度を達成
する。しかしながら、このタイプの電解質に関するそれと反対の従来の知識にも
かかわらず、それらが高い出力密度およびＦＯＭも達成できるのは驚くべきこと
である。この結果は、スーパーキャパシタの全体的な抵抗を減じる一致した試み
により、好ましい実施例において達成される。以下の特徴を用いることがこの結
果に寄与する。すなわち、 ・電解質によって与えられる、電流径路の長さしたがって抵抗を最小化する、
薄い非常に多孔質のセパレータ、 ・単位体積当りの高容量を依然として提供しながら、アルミニウム電極に炭素
を介した短い電流径路を提供するための（約１００ミクロンよりも薄い）高表面
積炭素の薄い層、 ・炭素層の導電性を向上させるための導電性カーボンブラックを含む炭素の混
合および ・（１．０モルのオーダの）高濃度の塩を含む電解質、である。
【０１９３】 いくつかの実施例では、結合剤を含む各々の炭素コーティングの厚みは１００
ミクロンよりも少ない。図１７および図２０に示される例については、それぞれ
の炭素コーティングの厚みが示される。６ミクロンのコーティングの例外がある
ものの、炭素粒子の直径は僅か６から８ミクロンである。しかしながら、６ミク
ロンのコーティングのためには、僅か２ミクロンの直径に研削される同じサイズ
の粒子が用いられる。より小さい僅かな直径の炭素が用いられる実施例では、コ
ーティングはここでもさらに薄い。
【０１９４】 単位体積当りでより大きな容量を与えるのに、従来の知識では比較的厚い炭素
コーティングを用いてきた。そのようなコーティングは約１５０ミクロンまたは
それよりも大きいオーダである。しかしながら、説明された実施例で用いられた
ように、炭素コーティングを通る電流径路の長さが小さくなるに従い、より薄い
コーティングが減じられたｅｓｒをもたらすことがわかっている。薄いコーティ
ングはまた、それらが先行技術の装置で用いられるより厚いコーティングよりも
少ない容積しか占めないため、高いＦＯＭにプラスの寄与を有する。しかしなが
ら、この発明の好ましい実施例に従う装置は、活性炭およびプロトン化された結
合剤の使用により利用可能な表面積が比較的高いままであるため、比較的高い容
量を依然として提供するのは驚くべきことである。
【０１９５】 理論に制限されることは望まないが、より薄いコーティングが用いられると、
別のメカニズムが働き始めることがここで理解される。より特定的には、好まし
い実施例で用いられた活性炭は、結果として炭素コーティング内に粒子間のボイ
ドを生じる。これらのボイドは典型的に入り組んだ性質のものである。炭素粒子
のサイズよりも著しく大きな厚みを有する先行技術のコーティングについては、
コーティングのインピーダンスは高い。しかしながら、コーティングの厚みが炭
素粒子のサイズと同じオーダの大きさである好ましい実施例のコーティングにつ
いては、インピーダンスに対する粒子間のボイドの影響は最小限である。すなわ
ち、活性炭粒子のサイズ、炭素層の厚みおよびその層によって与えられる結果と
して生じるインピーダンスの間の強い関係が存在することが発見された。
【０１９６】 この発明の好ましい実施例はより薄い炭素コーティングを用いてこの関係を利
用し、それにより単位体積当りのより高い容量、したがって高いＦＯＭを達成す
る。
【０１９７】 ＦＯＭを定めるための容積および質量の測定は、電極、セパレータおよび電解
質が収容されるパッケージを考慮に入れる。この発明の説明された実施例を用い
て達成可能である高いＦＯＭは、パッケージ自体および別個の構成要素をパッケ
ージ内に配置するコンパクト化の方法によっても寄与される。
【０１９８】 この発明に従って作られたより大きなスーパーキャパシタについては、絶対的
に必要であるよりも重くかつかさばるパッケージを用いて、依然として比較的高
いＦＯＭを達成することが公知である。たとえば、厳しい環境での動作のために
非常に頑丈なパッケージを有することが望ましい場合、ＦＯＭにおける何らかの
妥協が許容される。しかしながら、これらのより大きな装置に対しては、装置の
全体的な容積または重さに比例して寄与するところが減少するパッケージのため
に、比較的高いＦＯＭが依然として可能である。
【０１９９】 いくつかのより小さな装置については、柔軟な多層プラスチックパッケージの
使用により、高いＦＯＭが一部達成される。そのようなパッキングの例は、本発
明の出願人の名前で同時係属中の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９９／００７８
０に開示される。このＰＣＴ出願中の開示は、相互参照により本明細書中に援用
される。
【０２００】 この発明は特定の例を参照して説明されたが、それが多くの他の形で実現され
得ることが当業者には認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スーパーキャパシタの形の、この発明に従う電荷蓄積装置の斜視
図である。
【図２】 この発明の第１の実施例に従う、電極の構成の概略図である。
【図３】 シート電極の概略的な側面図である。
【図４】 交互に配された複数の図３のシート電極を用いた、この発明の別
の局面に従う、電荷蓄積装置の概略的な平面図である。
【図５】 この発明に従う代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図で
ある。
【図６】 図５のスーパーキャパシタの概略的な左側面図である。
【図７】 図５のスーパーキャパシタの概略的な右側面図である。
【図８】 この発明に従うさらなる代替的なスーパーキャパシタの概略的な
正面図である。
【図９】 図８のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。
【図１０】 この発明に従う別のスーパーキャパシタの概略的な正面図であ
る。
【図１１】 図１０のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。
【図１１Ａ】 図１０のスーパーキャパシタの概略的な断面図である。
【図１２】 この発明の特定の例のための、重量ＦＯＭ対Ｔ0のグラフの図
である。
【図１３】 この発明の特定の例のための、容積ＦＯＭ対Ｔ0のグラフの図
である。
【図１４】 この発明の特定の例のための、重量当りの最大電力対時定数の
グラフの図である。
【図１５】 この発明の特定の例のための、容積当りの最大電力対時定数の
グラフの図である。
【図１６】 この発明の寸法適用性を示す表である。
【図１７】 いくつかの先行技術のスーパーキャパシタおよびこの発明のス
ーパーキャパシタのパラメータを示す表である。
【図１８】 この発明の別の局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断
面図である。
【図１９】 この発明のさらなる局面に従う、スーパーキャパシタの概略的
な断面図である。
【図２０】 この発明に従って作られたスーパーキャパシタのさらなる例を
示す表である。
【図２１】 この発明の１つの実施例に従う、スーパーキャパシタの概略的
な断面図である。
【図２２】 図２１のスーパーキャパシタ用のセパレータの平面図である。
【図２３】 図２１のスーパーキャパシタの電極の１つの概略的な平面図で
ある。
【図２４】 図２２のセパレータおよび図２３の電極を含む電極アセンブリ
の概略的な斜視図である。
【図２５】 図２３に示されたものと同様の電極内に入れ子状にされた、図
２４のアセンブリの概略的な斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パイネンバーグ，ロリー・アルバート・ジ ェイムズ オーストラリア、2089 ニュー・サウス・ ウェールズ州、ニュートラル・ベイ、オー ビン・ストリート、３／43 (72)発明者 マーン，ピーター・ジョン オーストラリア、2114 ニュー・サウス・ ウェールズ州、メドウバンク、メドウ・ク レセント、８／45 (72)発明者 バッサッロ，アンソニー・マイケル オーストラリア、2077 ニュー・サウス・ ウェールズ州、ホーンズビィ・ハイツ、ブ ルガー・クロウス、15 (72)発明者 ジョンズ，フィリップ・アンドリュー オーストラリア、2077 ニュー・サウス・ ウェールズ州、ホーンズビィ、ナーサリ ー・ストリート、49 (72)発明者 ケシシアン，サーキス オーストラリア、2115 ニュー・サウス・ ウェールズ州、アーミントン、ビクトリ ア・ロード、２／684−686 (72)発明者 パンドルフォ，アンソニー・ガエタノ オーストラリア、2223 ニュー・サウス・ ウェールズ州、モルトデイル、ビリアズ・ アベニュ、69 【要約の続き】 ２．１ワット／グラムよりも大きい、方法である。

Claims (51)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、電極間
    に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージ
    と、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の重量ＦＯＭは約２．１ワット／グラムより大き
    い、電荷蓄積装置。
  2. 【請求項２】 約２．５ワット／グラムから３ワット／グラム、または 約３ワット／グラムから約３．５ワット／グラム、または 約３．５ワット／グラムから約５ワット／グラム、または 約５ワット／グラムより大きい、 のうちのいずれかの範囲内にある重量ＦＯＭを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 第１の電極および第２の電極が容量セルを形成し、前記装置
    は、パッケージ内に配置された複数の同様のセルを含み、各セルが前記パッケー
    ジ内で他の１つのセルと並列または直列のいずれかで電気的に接続される、請求
    項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧が、 約３．５ボルトから４ボルト、または 約３ボルトから３．５ボルト、または 約３ボルト未満、 の範囲内にある、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 第１の電極および第２の電極が、それぞれ第１の炭素コーテ
    ィングおよび第２の炭素コーティングを含み、これらのコーティングにおいて用
    いられる炭素の表面積が２０ｍ2／グラムより大きい、請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケー
    ジと、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の容積ＦＯＭは約３．２ワット／ｃｍ3より大き
    い、電荷蓄積装置。
  7. 【請求項７】 約３．２ワット／ｃｍ3から４ワット／ｃｍ3、または 約４ワット／ｃｍ3から５ワット／ｃｍ3、または 約５ワット／ｃｍ3から７ワット／ｃｍ3、または 約７ワット／ｃｍ3から８ワット／ｃｍ3、 の範囲内にある容積ＦＯＭを有する、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の導電性基板を有する第１の電極と、 第１の基板上に支持され、かつ４００ｍ2／グラムより大きい表面積を有する
    炭素から形成される第１の炭素層と、 第２の導電性基板を有する第２の電極と、 第２の基板上に支持され、４００ｍ2／グラムより大きい表面積を有する炭素
    から形成される第２の炭素層と、 電極間に配置される多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケー
    ジとを含み、第１の層と第２の層とは対向し間隔をあけられており、前記装置は
    さらに、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子を含み、前記装置の容積ＦＯＭは約１．１ワット／ｃｍ3より大きい
    、電荷蓄積装置。
  9. 【請求項９】 前記炭素の表面積が、少なくとも１２００ｍ2／グラムであ
    る、請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１つ以上の層が、１種類より多くの炭素を含む
    、請求項８に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッ
    ケージと、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の応答時間（Ｔ0）は約０．０９秒未満である、
    電荷蓄積装置。
  12. 【請求項１２】 Ｔ0が、 約０．０９秒から１０-2秒、または 約１０-2秒から１０-3秒、または 約１０-3秒から約１０-4秒、または 約５×１０-5秒未満、 の範囲内にある、請求項１９に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極と対向し第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約１２．５ワット／グ
    ラムより大きい、電荷蓄積装置。
  14. 【請求項１４】 約１２．５ワット／グラムから１５ワット／グラム、また
    は 約１５ワット／グラムから１７ワット／グラム、または 約１７ワット／グラムから２６ワット／グラム、または 約２６ワット／グラムより大きい、 の範囲内に重量当たりの最大電力を有する、請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の容積当たりの最大電力は約３５ワット／ｃｍ3
    より大きい、電荷蓄積装置。
  16. 【請求項１６】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の電極と、 第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の時定数は約０．０３秒未満である、電荷蓄積装
    置。
  17. 【請求項１７】 約０．０３秒から１０-2秒、または 約１０-2秒から１０-3秒、または 約１０-3秒から１０-4秒、または 約１０-4秒から１０-5秒、または 約１０-5秒未満、 の範囲内にある時定数を有する、請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 それぞれの第１のタブがそこから延びる複数の第１のシート電極と、 第１の電極と互い違いにされ、それぞれの第２のタブがそこから延びる複数の
    第２のシート電極と、 隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、 電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これ
    によって、第１のタブは第１の端子に電気的に接続され、第２のタブは第２の端
    子に電気的に接続され、第１および第２の両端子がパッケージから延びてそれぞ
    れの電極への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
  19. 【請求項１９】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１のシート電極と、 第１のシート電極に隣接して配置された第２のシート電極とを含み、これによ
    り電極はそれぞれの長さで折り返され、前記装置はさらに、 隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによ
    り第１の電極は第１の端子に電気的に接続され、第２の電極は第２の端子に電気
    的に接続され、第１および第２の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極
    への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
  20. 【請求項２０】 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の端子に電気的に接続されている第１の電極と、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
    ２の電極と、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
    ３の電極と、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
    れにより前記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可
    能にする、複合電荷蓄積装置。
  21. 【請求項２１】 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、 電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、 各々が、キャビティ内に位置付けられた第１の端部とパッケージ外部の第２の
    端部との間に延びる、２つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、 キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第１のキャパシタセ
    ルとを含み、第１のセルは第１の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシ
    タ端子に電気的に接続された２つのセル端子との両方を有し、前記装置はさらに
    、 キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第１のセルに対して間隔をあ
    けた構成で維持される第２のキャパシタセルを含み、第２のキャパシタセルは第
    ２の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された
    ２つのセル端子との両方を有する、複合電荷蓄積装置。
  22. 【請求項２２】 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第１のコーティ
    ングを有する第１のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動
    的な厚さであり、前記装置はさらに、 第１の電極に近接して配置され、かつ第２の端子に電気的に接続されている第
    ２の電極と、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
    れにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能に
    する、複合電荷蓄積装置。
  23. 【請求項２３】 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第１のコーティング、お
    よびその他方側上に第２のコーティングを含む第１のシート電極を含み、第１の
    コーティングは第１の予め定められた厚さであり、第２のコーティングは第２の
    予め定められた厚さであり、前記装置はさらに、 第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の一方側に近接して配置され
    た第２のシート電極を含み、この第２の電極はその一方側上に第３の予め定めら
    れた厚さの第３のコーティングを含み、この第３のコーティングは第１のコーテ
    ィングと対向しており、前記装置はさらに、 第２の端子に電気的に接続され、かつ第１の電極の他方側に近接して配置され
    た第３の電極を含み、この第３の電極はその一方側上に第４の予め定められた厚
    さの第４のコーティングを含み、この第４のコーティングは第２のコーティング
    と対向しており、前記装置はさらに、 隣接する電極間に配置された１つ以上の多孔質セパレータと、 電極、１つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、こ
    れにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能に
    する、複合電荷蓄積装置。
  24. 【請求項２４】 スーパーキャパシタにおいて用いるための電極であって、
    前記電極は、 基板と、 前記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロ
    ースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む、電極。
  25. 【請求項２５】 カーボン粒子と、少なくとも１対の電極の対向する面上に
    コーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物と
    の混合物を有する、少なくとも１対の電極と、 前記少なくとも１対の電極の前記対向する面の間に位置付けられたセパレータ
    と、 このセパレータを湿らす電解質とを含む、スーパーキャパシタ。
  26. 【請求項２６】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、 発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の
    層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、前記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面
    積は２０ｍ2／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
  27. 【請求項２７】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電
    極を含み、前記層は少なくとも約４００ｍ2／グラムの表面積を有する炭素から
    形成されており、前記装置はさらに、 第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の
    電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ2／グラムの表面積を有する
    炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけ
    られ、前記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラ
    ムより大きい、電荷蓄積装置。
  28. 【請求項２８】 前記炭素の表面積が少なくとも１２００ｍ2／グラムであ
    る、請求項４４に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む、請求
    項４４に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 エネルギ蓄積装置であって、前記装置は、 ハウジングと、 第１および第２の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第１および第２の対向する電
    極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第１の電荷蓄積容量が第
    ２の電荷蓄積容量より大きく、前記装置はさらに、 電極の中間にあるセパレータと、 ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む、エ
    ネルギ蓄積装置。
  31. 【請求項３１】 第１の電極はその一方側に第１の炭素コーティングを有す
    るアルミニウムシートを含み、第２の電極はその一方側に第２の炭素コーティン
    グを有するアルミニウムシートを含み、第１および第２のコーティングは対向し
    ている、請求項３０に記載の装置。
  32. 【請求項３２】 前記シートは実質的に寸法上等価であり、前記電荷蓄積容
    量は第１のコーティングと第２のコーティングとの差により変動する、請求項３
    １に記載の装置。
  33. 【請求項３３】 第１のコーティングが第２のコーティングより厚い、請求
    項３２に記載の装置。
  34. 【請求項３４】 第１のコーティングの特定の容量が第２のコーティングの
    ものより大きい、請求項３２に記載の装置。
  35. 【請求項３５】 前記電荷蓄積容量は、第１および第２の電極の表面積にお
    ける差により異なる、請求項３０に記載の装置。
  36. 【請求項３６】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 ハウジングと、 ハウジング内に配置された第１のシート電極と、 第１のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第２のシ
    ート電極と、 第１の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持す
    るためのセパレータと、 電極の中間に配置される電解質と、 それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接
    続を可能にする２つの端子とを含む、電荷蓄積装置。
  37. 【請求項３７】 前記セパレータが、少なくとも１つの共通端に沿って接続
    される２枚の対向するセパレータシートを含み、第１の電極がこれらのセパレー
    タシートの間に配置される、請求項３６に記載の装置。
  38. 【請求項３８】 前記セパレータシートが一体的に形成される、請求項３７
    に記載の装置。
  39. 【請求項３９】 前記セパレータシートが共通端に沿って一体的に形成され
    る、請求項３８に記載の装置。
  40. 【請求項４０】 各セパレータシートが、ともに共通端から離れるように延
    びる、第１の端縁と、第１の端縁から間隔をあけられた第２の端縁とを含む、請
    求項３９に記載の装置。
  41. 【請求項４１】 各セパレータシートがさらに、第１の端縁と第２の端縁と
    の間に延びる第３の端縁を含み、第１の端縁は対向してともに接合され、第２の
    端縁は対向してともに接合される、請求項４０に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 第３の端縁が対向している、請求項４１に記載の装置。
  43. 【請求項４３】 第１の電極が第１のサブシートと第１のサブシートに対向
    する第２のサブシートとを含む、請求項４２に記載の装置。
  44. 【請求項４４】 第１および第２のサブシートが対向している、請求項４３
    に記載の装置。
  45. 【請求項４５】 第１および第２のサブシートの各々が共通端に沿って接合
    される、請求項４４に記載の装置。
  46. 【請求項４６】 第１および第２のサブシートの間の共通端が２つの対向す
    るセパレータシート間の共通端に近接して配置される、請求項４５に記載の装置
    。
  47. 【請求項４７】 電荷蓄積装置であって、前記装置は、 炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの対向する電極を含み、これら
    の粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが
    公称直径のオーダである厚さを有し、前記装置はさらに、 電極間に配置された多孔質セパレータと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと
    、 第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージか
    らともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および
    第２の端子を含む、電荷蓄積装置。
  48. 【請求項４８】 前記予め定められた公称直径が約８ミクロン未満であり、
    前記コーティングの厚さが１００ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置
    。
  49. 【請求項４９】 前記予め定められた公称直径が約６ミクロン未満であり、
    前記コーティングの厚さが約３６ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置
    。
  50. 【請求項５０】 前記予め定められた公称直径が約２ミクロン未満であり、
    前記コーティングの厚さが約６ミクロン未満である、請求項４６に記載の装置。
  51. 【請求項５１】 電荷蓄積装置の製造方法であって、前記方法は、 炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する２つの電極を対向させるステップを
    含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、前記コーティングは前記
    公称直径より大きいが前記公称直径のオーダである厚さを有し、前記方法はさら
    に、 電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、 電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納する
    ステップと、 第１の端子および第２の端子を、前記パッケージから延びてそれぞれの電極へ
    の外部電気接続を可能にするように、それぞれ第１の電極および第２の電極に電
    気的に接続するステップとを含む、電荷蓄積装置。
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