JP2003525522A - ハーメチック電解質シールを有する多重電極二重層コンデンサ - Google Patents
ハーメチック電解質シールを有する多重電極二重層コンデンサInfo
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Abstract
Description
含浸炭素布電極および高性能電解液で作られた高性能高信頼二重層コンデンサに
関する。本発明は、さらにまた詳細には、低抵抗アルミニウム含浸炭素布電極お
よび高性能電解液で作られ、かつ、ハーメチックシール電気絶縁電気貫通接続を
含むハーメチックシールケース内に収納された、高性能で信頼性の高い長寿命有
機二重層コンデンサに関する。
充電が可能で、かつ、高ライフサイクルすなわち長寿命の、信頼性の高い再充電
可能なエネルギー源の必要性が十分に認識されている。このようなデバイスを利
用することができるアプリケーションには、産業アプリケーション、消費者アプ
リケーション、および自動車アプリケーションがある。
、単位重量および単位体積当たり、より多くのエネルギーを蓄積することができ
るエネルギー蓄積デバイスである。また、通常、二重層コンデンサは、蓄積エネ
ルギーを蓄電池より高い電力定格で引き渡すことができる。
つの多孔性電極からなっている。セパレータおよび電極にはいずれも電解液が含
浸されている。この構造により、多孔性セパレータが、電流すなわち電子電流(
イオン電流に対して)による2つの多孔性電極の短絡を防止するのと同時に、多
孔性セパレータを通って電極間をイオン電流が流れる。集電板が活性電極の各々
の背面に結合されている。集電板の目的の1つは、二重層コンデンサ内の抵抗損
を小さくすることである。これらの集電板が非多孔性である場合、それらをコン
デンサシールの一部として使用することもできる。
に形成される静電エネルギーを分極液体層中に蓄積する。電極の両端間に電位が
印加されると、印加された電界下での電荷分離による、また、電極の表面全体に
わたる電解液分子の配向分極および整列による電解液イオンの分極により、電極
−電解液界面に正電荷および負電荷の二重層が形成される(「二重層」コンデン
サと呼ばれるのはそのためである)。
るため、高出力および高エネルギー密度を有する電気化学コンデンサに炭素電極
を使用することにより、この技術に大きな利点をもたらしている。炭素電極を有
する二重層コンデンサの製造については、米国特許第2,800,616号(B
ecker)および第3,648,126号(Boosら)が立証しているよう
に、長い間、当分野で知られている。
の内部抵抗が大きいため、コンデンサの性能がしばしば制限されていることであ
る。この高内部抵抗は、内部炭素間接触部の高接触抵抗、および集電体を有する
電極の接触抵抗を始めとするいくつかの要因によるものである。この高抵抗は、
充電フェーズおよび放電フェーズの間、コンデンサに大きな抵抗損をもたらし、
その抵抗損はさらにコンデンサの固有RC(抵抗×キャパシタンス)時定数に悪
影響を及ぼし、短時間の間に有効に充電および/または放電するコンデンサの能
力を妨げている。したがって当分野においては、内部抵抗すなわち二重層コンデ
ンサの時定数を小さくする必要がある。
への特許(米国特許第5,150,283号)に、アルミニウム基板の表面に炭
素粉末および他の導電率改善剤を付着させることによって炭素電極を集電体に接
続する方法が開示されている。
抗を小さくするための他の関連手法が開示されており、金属繊維を炭素繊維プリ
フォーム中に織り込むことによって、アルミニウムなどの金属を炭素繊維電極中
に組み込むことができることが教示されている。
抗を小さくするためのさらに他の手法が開示されており、その中で、炭素繊維の
ポアー中に、導電性金属酸化物の好ましくは遷移金属酸化物の層を形成するため
に、炭素繊維が水溶液中に浸されている。また、Nishinoらは、真空めっ
きによるスズ酸化物またはインジウム酸化物などの金属酸化物の形成を開示して
いる。
80,963号(Tatarchukら)に、低抵抗を実現するためのさらに他
の関連手法が開示されている。Tatarchukらの特許は、金属繊維を炭素
プリフォームと混合し、かつ、焼結することにより、電極として使用することが
できる、構造的に安定した導電マトリックスを生成することができることを立証
している。また、Tatarchukらの特許は、金属導体に達するために電流
が流れなければならない炭素間接触部の数を少なくすることにより、電極中の電
気抵抗を小さくするプロセスを教示している。この手法は、ステンレス鋼繊維ま
たはニッケル繊維を金属として使用する場合は良好に機能するが、アルミニウム
繊維を用いた場合、電極を焼結または加熱している間にアルミニウムカーバイド
が形成されるため、上記手法は成功していないことを本出願人は学んでいる。
法に関してである。電極と集電体板の間の界面は、二重層コンデンサの他の内部
抵抗源であるため、このことは重要であり、このような内部抵抗は、可能な限り
小さい値に留めなければならない。
層を形成するために、アルミニウムなどの溶融金属を、分極可能な電極の一方の
面にプラズマ溶射することを提案している。アーク噴霧、真空めっき、スパッタ
リング、非電解めっき、および導電性塗料の使用を始めとする、集電体の結合お
よび/または形成のための代替技法についても、Nishinoらの特許′51
1号の中で考察されている。
,304,330号、および第5,080,963号)は、金属箔を電極エレメ
ントに焼結結合させることによる、電極への金属箔集電体の結合を示している。
料を電極エレメントのポアー中に入り込ませる熱硬化処理によって集電体を電極
表面に結合させる方法が開示されている。
号、第5,072,335号、第5,072,336号、第5,072,337
号、および第5,121,301号に、集電体板の製造方法および粘着方法に関
するさらに他の関連技術を見出すことができる。
れらの二重層コンデンサは、より高い電圧で動作するという利点を有しているが
、一般的により大きい内部抵抗の問題を抱えている。内部抵抗が大きいにもかか
わらず、動作電圧により、二重層コンデンサのエネルギー密度が著しく高くなっ
ている。例えば、水性二重層コンデンサが動作する電圧が、わずか0.67ボル
ト/セルであるのに対し、類似の非水性デバイスは、2.3ボルト/セルで動作
する。この動作電圧の相違により、エネルギー密度が11.8倍に増加している
。
敏感に反応する傾向がある。これらの不純物のレベルがどのようなレベルであっ
ても、二重層コンデンサが高電圧で動作している場合、二重層コンデンサ内にガ
スが発生する。そのため、非水性電解液二重層コンデンサの製造者は、製造中に
おける電解液中の水汚染および酸素汚染のレベルの制限に対して極めて慎重であ
り、10ppmから100ppm程度の汚染レベルに押さえるべく努力している
。
するためには、電解液中への水および酸素の流入を、十分慎重に制限しなければ
ならない。市販の非水性電解液二重層コンデンサは、水および酸素の流入により
、これら二重層コンデンサの寿命を制限している密閉技術を用いてパッケージさ
れている。
小形化の問題である。設計されるデバイスの厚さが薄くなればなるほど、要求さ
れるコンポーネントの厚さが薄くなる。二重層コンデンサのメーカには、デバイ
スサイズを短縮し、かつ、高レベルのキャパシタンスを維持すべく圧力がかかっ
ている。デバイスサイズを短縮し、かつ、高レベルのキャパシタンスを維持する
ためには、内部抵抗を極端に小さくする必要があるばかりでなく、付随する問題
を解決しなければならない。
えば、空気および水による環境汚染が漏れて電解液中に侵入し、それにより重大
なキャパシタンスの低下を招き、かつ、相応する抵抗の増加、すなわちイオン電
流が流れる抵抗の増加を招くことである。
閉し、それにより電解液を封じ込め、かつ、酸素および水による電解液の汚染を
防止しているが、デバイスがますます小形化されるにつれ、もはや従来の技術は
不適切になっている。この問題をさらに複雑にしているのは、二重層コンデンサ
の密閉に使用される材料が、電解液およびコンデンサのケースと熱的、化学的に
両立しなければならないことであり、また、適切な電気特性、すなわち密閉する
位置に応じて導電特性あるいは絶縁特性を備えていなければならないことである
。
付けすることができること、という消費者のデバイスに対する要求が、さらにや
っかいな問題を引き起こしている。したがって、外部端子は、用いる密閉手段と
両立しなければならないばかりでなく(また、密閉手段は、外部端子と両立しな
ければならない)、外部端子の材料は、従来のはんだ付け技法およびはんだ材を
用いてはんだ付けすることができるものでなければならない。さらに、従来の自
動はんだ付けプロセスでは、二重層コンデンサのケースおよび内部コンポーネン
トは、高温への露出、例えば最高250℃の温度に最長5分間、耐えることがで
きなければならない。
している。このような改良型二重層コンデンサは、比較的短時間の間に、有用な
大量のエネルギーを極めて高い出力およびエネルギー密度定格で引き渡さなけれ
ばならず、また、小形ではんだ付けが可能な長寿命のデバイスとして製造しなけ
ればならない。また、このような改良型二重層コンデンサは、内部抵抗が比較的
小さくなければならず、さらに、比較的高い動作電圧をもたらすことができなけ
ればならない。これらのデバイスの内部抵抗が小さくなければならないことにつ
いても、同様に明らかである。
供することにより、上記およびその他の必要性に対処するものである。
ースの間に電気絶縁ハーメチックシールが挿入された長寿命二重層コンデンサお
よびその製造方法として特徴付けることができる。第1の集電体箔が、第1の端
子の内部部分および金属含浸面を有する第1の金属含浸炭素布電極に電気結合さ
れている。第1の金属含浸炭素布電極の金属含浸面は、第1の集電体箔に対して
並置されている。また、多孔性セパレータが、第1の金属含浸炭素布電極に対し
て並置されている。金属含浸面を有する第2の金属含浸炭素布電極が多孔性セパ
レータに対して並置され、したがって多孔性セパレータは、第1の金属含浸炭素
布電極と第2の金属含浸炭素布電極の間に挿入されている。第2の金属含浸炭素
布電極は、第2の金属含浸炭素布電極の反対側の面が、第2の金属含浸炭素布電
極の金属含浸面と対向し、第2の金属含浸炭素布電極の反対側の面が、多孔性セ
パレータに対して並置されるように配置されている。第2の集電体箔は、第2の
金属含浸炭素布電極の金属含浸面に対して並置されている。第2の端子が第2の
集電体箔に電気結合されている。また、電解液が、第1の金属含浸炭素布電極お
よび第2の金属含浸炭素布電極を浸している。電解液は、電解液中への不純物の
流入が、ケースおよび電気絶縁ハーメチックシールによって実質的に禁じられる
ように、実質的にケースおよび電気絶縁ハーメチックシールによって閉じ込めら
れている。
極を含むハーメチックシールケースを備えた長寿命二重層コンデンサおよびその
製造方法として特徴付けることができる。ハーメチックシールケース内には、ま
た、それぞれ複数の金属含浸電極のそれぞれの1つに対して、前記金属含浸面に
対して並置された複数の集電体箔が含まれている。多孔性セパレータ材は、複数
の金属含浸電極のそれぞれの1つと、前記複数の金属含浸電極を浸している非水
性電解液との間に位置付けされている。したがって多重電極単一セルデバイスを
形成している。
に照らして行う以下のより詳細な説明から、より明らかになるであろう。
る。
明は、本発明を制限する意味で捕えてはならない。以下の説明は、単に本発明の
一般原理を説明するためのものにすぎない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の
各クレームに関連して決定されるべきものである。
および14、多孔性セパレータ18、電解液20、一対の集電体板22および2
4、および集電体板22、24からケース11を貫通して延びる、エネルギー源
および/または回路とアルミニウム含浸炭素布電極12、14の間の外部電気接
続を提供する電気リード線(または端子)28、29を備えた、単一セル高性能
二重層コンデンサ10が示されている。
22は、本教示による好ましい形状を示し、図2から図5は、本教示の特定の特
徴を概念的に示したものである。図6から図9は、電気的等価、詳細には本教示
によって最小化された内部抵抗コンポーネントを示したものである。図10およ
び図11は、アルミニウム含浸炭素布電極の製造プロセスの態様を示したもので
ある。図23および図24は、本教示の二重層コンデンサの製造プロセスを、流
れ図を用いて示したものであり、また、図25および図26は、本教示の長寿命
態様の実験的証拠を示したものである。
性炭素繊維布(炭素布プリフォーム)から形成されることが好ましく、あるいは
別法としては、例えばアルミニウム、チタンまたは銅などの溶融金属、あるいは
、例えばアルミニウム、チタンまたは銅などの気化溶融金属が含浸された炭素紙
プリフォームから形成されることが好ましい。
比率を高い値に維持し、二重層コンデンサ10中への十分な量の電解液20の導
入を可能にするために、詳細には、電解液20を炭素繊維布のポアーに浸透させ
、それによりアルミニウム含浸炭素布電極と電解液の間の界面面積(表面積)を
最大にするために、炭素繊維布中に金属を含浸させる間、厳密に制御される。
4の1つにそれぞれ電気結合されている。集電体板22および24は、アルミニ
ウム箔の薄層または類似の薄板高導電率材料であることが好ましい。
れ、集電体板22および24は、多孔性セパレータ18から離れて配置されてい
る。多孔性セパレータ18は、アルミニウム含浸炭素布電極12と14の間の電
子絶縁体として作用し、かつ、流体連絡、詳細には多孔性セパレータ18を流れ
るイオン電流を許容する、高度に多孔性の材料でできていることが好ましい。多
孔性セパレータ18の役割は、アルミニウム含浸炭素布電極12および14を、
絶対に互いに機械的に直接接触させないことである。電極間のこのような接触は
、電極間の短絡(すなわち、イオン電流に対して電子流)を招き、それによりア
ルミニウム含浸炭素布電極12および14に蓄積されている電荷が急激に枯渇し
、その結果、アルミニウム含浸炭素布電極12および14中に電荷を蓄積するこ
とができなくなる。しかし、多孔性セパレータ18の多孔性の性質により、アル
ミニウム含浸炭素布電極12と14の間の電解液20中をイオンが移動すること
ができ(イオン電流)、したがって言い換えると、電極12と14の間の電解液
中をイオン電流が流れる。好ましい多孔性セパレータ18は、厚さ約1ミル(0
.00254cm(0.001インチ))の多孔性ポリプロピレンベースまたは
ポリエチレンベースの薄板である。必要に応じて、多孔性セパレータをアルミニ
ウム含浸炭素布電極12と14の間に挿入する前に、ポリプロピレンセパレータ
またはポリエチレンセパレータを、予め電解液20中に浸しておくことができる
が、このような事前処置は、必ずしも必要ではない。
いる手段を用いることができる。ヘッダ(貫通電極用ハーメチックガラス−金属
間シール、および「缶電極」用溶接電極を含む)が溶接された外部缶を用いる、
好ましい種類のパッケージングについて、図11から図22を参照して以下に説
明する。
重量を最小化することが有利である。
二重層コンデンサの重量の25%以下であることが要求される。
び、かつ、電気回路(図示せず)との接続に適合されている。以下で説明する好
ましい構成では、集電体板の1つが、ヘッダプレートに溶接された(ヘッダプレ
ートはケースに溶接されている)対応する端子を用いてケース11に電気結合さ
れている。
arahmandiらによる「HIGH PERFORMANCE DOUBL
E−LAYER CAPACITORS INCLUDING ALUMINU
M CARBON COMPOSITE ELECTRODES」に対する米国
特許第5,621,607号、1998年7月7日発行の、Farahmand
iらによる「ALUMINUM− CARBON COMPOSITE ELE
CTRODE AND METHOD FOR MAKING SAME」に対
する米国特許第5,777,428号、1996年7月16日出願の、Fara
hmandiらによる「METHOD OF MAKING A HIGH−P
ERFORMANCE ULTRACAPACITOR」に対する米国出願第0
8/686,580号、1999年1月19日発行の、Farahmandiら
による「MULTI− ELECTRODE DOUBLE−LAYER CA
PACITOR HAVING SINGLE ELECTROLYTE SE
AL AND ALUMINUM−IMPREGNATED CARBON C
LOTH ELECTRODES」に対する米国特許第5,862,035号、
およびそれに添えて最近出願された、Farahmandiらによる「MULT
I− ELECTRODE DOUBLE−LAYER CAPACITOR
HAVING SINGLE ELECTROLYTE SEAL AND A
LUMINUM−IMPREGNATED CARBON CLOTH ELE
CTRODES」に、アルミニウム含浸炭素布電極を用いて作られた二重層コン
デンサの例が示されている。
えば2.3〜3.0ボルト/セルで使用される場合に、各電極の等価直列抵抗が
約1.5Ω以下であり、かつ、アルミニウム含浸炭素布(または炭素紙)電極1
2および14の各々のキャパシタンスが、約29F/g以上になるように、炭素
布内にアルミニウムが十分に含浸されていることが好ましい。このような大きい
キャパシタンスは、炭素布(または炭素紙)を使用することによって利用可能な
広い表面積、およびコンデンサ層間の極めて小さい分離間隔により実現可能であ
る。
電極12および14の好ましい製造方法、集電体板22および24の好ましい接
続方法、および高性能電解液の使用によるものである。本発明のこれらの態様の
各々について、以下でさらに詳細に考察する。
極12および14は、溶融金属または気化金属、好ましくはアルミニウム、チタ
ンまたは銅が含浸された多孔性炭素布プリフォーム(炭素繊維布)または炭素紙
プリフォーム(炭素繊維紙)でできていることが好ましい。炭素繊維布および炭
素繊維紙以外にも、溶融アルミニウム(または他の高導電率材料)を受け入れ、
最終的には電解液を受け入れるための十分な多孔性を有する炭素繊維フェルトま
たは他の活性炭繊維基板など、適切な任意の活性炭繊維材料からアルミニウム含
浸炭素布電極12および14を製造することができる。
活性炭繊維の個々の繊維束のトウ中深くに体積含浸される。炭素繊維束のトウ中
にアルミニウムを含浸させることにより、炭素繊維布中の活性炭元素と集電体板
の間の横方向電流経路の抵抗が小さくなる。また、アルミニウムは、活性炭元素
間の抵抗を小さくする。また、同時に、単にアルミニウムで被覆されただけでは
なく、かつ、アルミニウムが深くしみ込んでいない、すなわちアルミニウムで包
まれていない、アルミニウムが含浸した炭素繊維布の場合、アルミニウム含浸炭
素布電極は十分な多孔性を維持し、それにより電解液、好ましくは非水性電解液
が、活性炭繊維のポアー中に完全に浸透する。
ロセスは、炭素繊維布または炭素繊維紙の製造から始まる。通常、炭素繊維布ま
たは炭素繊維紙は、表面積の広い活性炭繊維の製造紙プリフォームまたは製造布
プリフォームである。好ましい炭素繊維プリフォームは炭素繊維布である。炭素
繊維布は、表面積が100m2/g以上、典型的には約500から3,000m2 /g、直径が約8〜10μmの活性炭繊維でできた編組炭素繊維束を使用した市
販の炭素繊維布であることが好ましい。通常、炭素繊維布の構造的安定性は炭素
繊維紙より優れている。活性炭繊維の表面積およびその他の寸法は、炭素繊維布
であれ、炭素繊維紙であれ、あるいは他のものであれ、使用するアプリケーショ
ンの要求に適合させることができる。
でさらに詳細に説明するように、好ましくはアーク噴霧(またはプラズマ溶射)
技法を用いて実現される。炭素繊維布の表面への溶融金属のアーク噴霧は、炭素
繊維布の表面に集電体を形成するための手段として、二重層コンデンサ構造に既
に使用されている。定義によれば、炭素繊維布の表面に集電体を形成するために
は、炭素繊維布の活性炭繊維間、および活性炭繊維と集電体板22、24の間の
接触抵抗を小さくするために、アーク噴霧された溶融金属を炭素繊維布に含浸さ
せる、つまり、炭素繊維布に噴霧金属を体積含浸させることによって、炭素繊維
布(活性炭繊維でできている)および含浸金属の両方でできた、抵抗が極めて小
さい炭素/金属合成電極を形成するのとは逆に、炭素繊維布の表面に、厚い、実
質的に不浸透の金属層を付着させなければならない。
させるために制御される。制御は、電流および噴霧ユニットへのガス噴射の強さ
、溶融アルミニウムの温度および圧力、炭素繊維布からのプラズマ溶射ユニット
の間隔、噴霧ユニットのスイープ速度、および噴霧プロセス中の周囲の気流、す
なわち炭素繊維布を通って噴霧ユニットから遠ざかる方向(すなわち、噴霧方向
と同じ方向)に流れる排気の流れを調整することによって実現される。有利には
、アーク噴霧を用いて炭素繊維布にアルミニウムを含浸させる場合、集電体板2
2、24とアルミニウム含浸炭素布電極12、14の間の接触抵抗と同様に、炭
素布のバルク抵抗率が劇的に減少する。
デンサ60は、多孔性セパレータ66によって電気的に分離されたアルミニウム
含浸炭素布電極62および64を備えている。アルミニウム含浸炭素布電極62
および64は、本明細書でさらに詳細に説明するように、例えばアーク噴霧プロ
セスを用いて溶融アルミニウムが含浸された炭素繊維布を形成している炭素繊維
束中の、比較的密度が高いが圧縮可能な活性炭繊維の組織からなっている。
8は、二重層コンデンサ60の第1の端子70に接続されている。同様に、もう
一方のアルミニウム含浸炭素布電極64は別の集電体板72と接触し、集電体板
72は、コンデンサ60の第2の端子74に接続されている。アルミニウム含浸
炭素布電極62と64の間の領域、およびアルミニウム含浸炭素布電極62、6
4内のすべての有効空間および孔には、高導電性非水性電解液76(または電解
液76)が充填されている。電解液76のイオンは、多孔性セパレータ66のポ
アーすなわち孔65を自由に通過することができ、一方、同時に、多孔性セパレ
ータ66は、第1のアルミニウム含浸炭素布電極62の物理接触を防止し、した
がってもう一方のアルミニウム含浸炭素布電極64との短絡を防止している。
。ポリプロピレンは、0.04×0.12μm程度の大きさのポアー開口部を含
んでいる。この大きさのポアーは、直径8〜10μm程度の炭素繊維布の活性炭
繊維がポアーから突き出るのを防止するが、多孔性セパレータ66を流れるイオ
ン電流を許容する。他の適切な多孔性セパレータは、ポリエチレンを使用して作
られている。ポリエチレンのポアーの大きさは、一般的に直径0.1μm以下程
度であり、したがってポリエチレンも、直径が最小8μmの活性炭繊維がポアー
から突き出るのを防止し、かつ、イオン電流が多孔性セパレータ66を流れるの
を許容している。
アルミニウム含浸炭素布電極62および64の両端間に電位が印加されると、電
解液76に浸されたアルミニウム含浸電極62および64の各々の電解液76中
に分極液体層が形成される。静電エネルギーを蓄積し、二重層コンデンサすなわ
ち2個の直列コンデンサとして機能するのは、これらの分極液体層である。より
詳細には、「+」および「−」の記号(電解液76中に浸された各アルミニウム
含浸炭素布電極の電極−電解液界面の電荷を表す)で図2に概念的に示すように
、アルミニウム含浸炭素布電極62および64の両端間に電圧が印加され、例え
ば第1のアルミニウム含浸炭素布電極62が、もう一方のアルミニウム含浸炭素
布電極64に対して正に充電されると、印加された電界下での電荷分離により、
また、アルミニウム含浸炭素布電極62および64の表面全体にわたる電解液分
子の配向分極および整列による電解液イオンの分極により、二重層(図2に示す
2つの「+/−」層で記号で表されている)が形成される。この分極により、 C=keA/d (1) および E=CV2/2 (2) の関係に従ってコンデンサ60にエネルギーが蓄積される。上式で、Cはキャパ
シタンス、keは二重層の実効誘電率、dは層間の分離間隔、Aは、電解液中に
浸されているアルミニウム含浸炭素布電極62および64の表面積、Vは、アル
ミニウム含浸炭素布電極62および64の両端間に印加される電圧、Eは、二重
層コンデンサ60に蓄積されるエネルギーである。
ロームで測定される。一方、表面積A、すなわち電極材料1グラム当たりの表面
積「A」は極めて広い。したがって等式(1)から分かるように、dが極めて狭
く、かつ、Aが極めて広い場合、キャパシタンスは極めて大きくなる。
、表面積「A」は広くなっている。アルミニウム含浸炭素布電極62および64
の各々は、炭素繊維布を形成している炭素繊維束の組織からなっている。各炭素
繊維束は、多数の活性炭繊維でできている。
ている。図から分かるように、各個別活性炭繊維76は、概念的に示すように、
多数のピット孔およびポアー80で凹みが作られている。既に示したように、個
別活性炭繊維80の直径は、通常、8〜10μm程度であり、一方、個別活性炭
繊維76のピット、孔、およびポアー80の典型的な大きさは、約40オングス
トロームである。活性炭繊維76が電解液76中に浸されると、各ピットまたは
孔80は、電解液76に晒されている活性繊維の表面積を著しく増加させる。
中には極めて多数の束があるため、アルミニウム含浸炭素布電極の構造は、炭素
繊維布の組織、組織の束、および炭素繊維束の個々の活性炭繊維の孔およびポア
ー中への電解液の浸透を可能にする三次元構造になり、それにより電解液が繊維
の全表面積、あるいは表面積のほとんどの部分と接触し、帯電分子の二重層が形
成される、電極の「A」表面積が劇的に増加する。
ミニウム含浸炭素布電極62および64(図2)を作ることができる。例えば、
図3に示す活性炭繊維76および78など、このような布の活性炭繊維の直径は
8ミクロン(8×10-6m)程度であり、炭素繊維布全体の厚さは、約0.53
ミリ(mm)である。活性炭繊維中のポアーの平均径は44オングストローム程
度であり、ポアー/孔の体積は、約1.2ml/gである。ポアー/孔の体積は
、布中の3種類の孔またはポアー、すなわち(1)個々の活性炭繊維中のポアー
またはピット(図3に示す、個々の活性炭繊維の表面積のほとんどをカバーして
いるポアー80など)、(2)炭素繊維束を形成する活性炭繊維間の空間(本発
明の目的に対して、この空間は、例えば図5に示すような断面図で見た場合、炭
素繊維束の「トウ」と呼ばれる)、および(3)炭素繊維布を形成するために編
組された炭素繊維束間の孔によるものであることを指摘しておく。このようなポ
アー/孔の体積により、炭素繊維布の総表面積を約2,500m2/gにしてい
る。炭素繊維布のポアー/孔の体積のため、炭素繊維布は、その表面積が広いば
かりでなく、いくぶんスポンジ状であるため、圧縮することが可能である。通常
、布の密度は約0.26g/cm3であり、理論有効表面積/単位体積(すなわ
ち孔体積)を約650m2/cm3にしている。したがって、このような面積/単
位体積の場合、6F/cm3程度のキャパシタンスを実現することができる(等
式(1)参照)。
ぎない。このような高キャパシタンスを、コンデンサの実用的なキャパシタンス
にする場合、コンデンサは、比較的短時間の間にエネルギーを蓄積し、かつ、放
電することができなければならない。すなわち、コンデンサは、コンデンサとし
て役割を果たすことができなければならない。コンデンサの充電/放電時間は、
以下でさらに詳細に考察するように、コンデンサの内部抵抗によって制御される
。内部抵抗が小さければ小さいほど、充電/放電時間は短くなる。
サ60の内部抵抗は、示されている二重層コンデンサ60の等価回路図に示すよ
うに、いくつかのコンポーネントからなっている。図から分かるように、二重層
コンデンサ60の内部抵抗には、定抵抗RCが含まれている。定抵抗RCは、コン
デンサ端子70からアルミニウム含浸炭素布電極62(コンデンサC1の上部プ
レートとして図2に表されている)までの間の電流経路のすべての抵抗、または
コンデンサ端子74とアルミニウム含浸炭素布電極64(コンデンサC2の下部
プレートとして図2に表されている)との間の電流経路のすべての抵抗を表して
いる。
RELがさらに含まれている。電極抵抗RELは、アルミニウム含浸炭素布電極62
中(または、アルミニウム含浸炭素布電極64中)の、アルミニウム含浸炭素布
電極を作るために使用される炭素繊維布の表面の集電体板/炭素繊維布界面と、
炭素繊維布中で使用される個々の活性炭繊維のすべてとの間の抵抗、すなわち、
アルミニウム含浸炭素布電極62中(または、もう一方のアルミニウム含浸炭素
布電極64中)の活性炭繊維間の内部定抵抗を表している。さらに、電解液抵抗
RESが電解液76に関連して存在し、また、セパレータ抵抗RSEPが、多孔性セ
パレータ66に関連して存在している。
炭素布電極62の一方のRC、REL、およびRESからRSEPを通り、さらにもう一
方のアルミニウム含浸炭素布電極64のRES、REL、およびRESを流れる電流と
して、二重層コンデンサ60に入り、あるいは二重層コンデンサ60から出て行
かなければならない。したがって、実際的な充電/放電時間を実現するためには
、総合キャパシタンスC、すなわちC1+C2と結合して、二重層コンデンサ60
の時定数τCを画定するRC、REL、RESおよびRSEPの値は、可能な限り小さい
値に維持しなければならないことが分かる。
ましいセパレータ材料は、厚さ約0.025mm(0.001インチ)のポリプ
ロピレンである。代替セパレータ材料は、同様に厚さ約0.025mm(0.0
01インチ)のポリエチレンである。
アーサイズを、本来的に有している。ポリエチレンベースのセパレータは、有孔
率約60〜80%のより大きいポアーサイズを有し、さらに、ポリプロピレンセ
パレータより多くの、電解液イオンが流れることができるくねり経路、すなわち
撚り経路を有している。ポリプロピレンセパレータの構造は薄板構造であり、ポ
リエチレンベースセパレータの構造は、さらに薄板構造である。
る電解液の種類を選択する場合、いくつかのトレードオフを考慮しなければなら
ない。水性(無機)電解液の導電率は、一般的に全くの非水性(有機)溶液より
高い(例えば10倍から100倍)。しかし、水性溶液を用いる場合、コンデン
サの動作電圧が約0.5ボルトから1.0ボルトに制限される。二重層コンデン
サ60に蓄積されるエネルギーは、電圧の二乗の関数であるため(上記等式(2
)参照)、高エネルギーアプリケーションには、たいていの場合、たとえ非水性
電解液の導電率が小さくても、2.0から3.0ボルト程度のセル電圧を許容す
る非水性電解液を使用することが好都合である。
る好ましい電解液は、50オーム-1/cm程度の導電率を示す、アセトニトリル
(CH3CN)と適当な塩の混合物でできている。本発明者は、場合によっては
非水性電解液を使用することが有利であることを予想しているが、代替電解液で
あることが好ましい。例えば、既に挙げた、1994年10月7日出願の、Fa
rahmandiらによる「MULTI−ELECTRODE DOUBLE
LAYER CAPACITOR HAVING SINGLE ELECTR
OLYTE SEAL AND ALUMINUM−IMPREGNATED
CARBON CLOTH ELECTRODES」に対する米国特許出願第0
8/319,493号に、いくつかの代替電解液が開示されている。
で言及する、極端に小さいいかなる漏れ速度にも耐えることができる、特により
小形のデバイスの場合に、漏洩という重大な問題が持ち上がる。特に、主要な関
心がコンデンサケースからの電解液の漏出である水性電解液設計と異なり、非水
性電解液設計の場合、知られている従来手法では未解決の重要な問題は、コンデ
ンサケース中への汚染物質、すなわち水および空気の漏洩である。常に、コンデ
ンサケース中への汚染物質の漏洩は、非水性電解液を枯渇させ、コンデンサのキ
ャパシタンスを小さくし、また、内部抵抗を大きくしている。
所定の漏れ速度に対して、汚染電解液が任意の所定時間に占める割合が、電解液
の総容量に対して小さいため、問題になることが少ない。しかし、図12〜図2
4に関連して説明するような、より小形のデバイス(より体積の小さい電解液デ
バイス)では、所定の漏れ速度の所定の時間における、電解液の総容量に対する
汚染電解液が占める割合が大きい。
用な議論は、ハーメチックシールケース(以下、漏れ速度華氏73度(22.8
℃)にて0.00005g/m2/日未満、華氏110度(43.3℃)にて0
.00009g/m2/日未満(表5参照)として定義される)の使用について
であり、それにより、本発明者が始めて気付いたことであるが、長寿命で体積の
小さい、非水性電解液二重層コンデンサの設計を可能にしている。ハーメチック
シールケース化を実現する製造および組立て技法については、以下でさらに考察
する。図25および図26は、一方がハーメチックシールを有し、他方がハーメ
チックシールのない、類似サイズの二重層コンデンサの性能特性の差を示したも
のである。
コンデンサ端子を使用することが望ましい。その場合、ハーメチックシールを含
む二重層コンデンサのケースは、非常に高い温度源に晒されることになる。した
がってはんだ付け可能端子は、ハーメチックシール自体の熱膨張係数とほぼ同じ
熱膨張係数を有する材料からなる必要がある。熱膨張係数が異なると、二重層コ
ンデンサは、ハーメチックシールとはんだ付け可能端子の間で、意図しない漏れ
が生じることになる。特定の種類のはんだ付け可能端子について、図12から図
24の実施形態に関連して考察する。
めに重要な、この実施形態の他の重要な利点は、内部抵抗が小さいことである。
通常、接触抵抗RCは、電極抵抗REL(いずれも既に定義済み)とあいまって、
二重層コンデンサ60の重大な内部抵抗源になっている。高電極抵抗はこれまで
、実際的な商用高エネルギー密度二重層コンデンサの開発における重大な障害物
であった。この実施形態の主要な特徴は、アルミニウム含浸炭素布電極の極めて
広い表面積によって実現される高エネルギー密度とあいまって、電極抵抗が極め
て小さい二重層コンデンサを提供することにある。この実施形態の主な目的は、
RC+RELの値をRSEPの値より小さくすることである。その目的を達成するため
に、以下で行う多くの考察を、小形でエネルギー密度が高く、かつ、寿命の長い
二重層コンデンサにおける電極抵抗RELおよび接触抵抗RCを小さくする製造技
法および組立て技法に集中して行う。
重要な役割をさらに示すために、次に図7を参照する。図7は、アルミニウム含
浸炭素布電極二重層コンデンサ60の等価回路図を示したものである。図6の描
写とは異なり、電極抵抗RELは、活性炭繊維中における距離の関数として抵抗が
増加することを表す一連の個別抵抗REL1、REL2、RELnで表されており(電気
的に表現すると)、電流の特定の部分が、(イオン電流として)電解液中に入る
前にそれらを通って流れる。
は、電解液中に入る前に炭素繊維布の全厚さを通して活性炭繊維を流れる電流に
対する電極抵抗より相対的に小さい。
解液中に入る電流の電解液中における経路の長さは、炭素布の全厚さを通って流
れた後、電解液中に入る電流の電解液中における経路の長さより長く、したがっ
て電解液抵抗RESが大きく、後者の電解液抵抗RESは小さい。図7は、「はしご
」構造を有する直列/並列回路を通して、RELとRESの間の逆関係を簡単に示し
たもので、各単位表面積の個別キャパシタンスの機能がはしごの「桟」であり、
一連の個別電極抵抗がはしごの「脚」の1本を形成し、かつ、一連の個別電解液
抵抗がはしごのもう1本の「脚」を形成している。各個別キャパシタンスを流れ
る電流が、電極抵抗の少なくとも1つ、および電解液抵抗の少なくとも1つを「
通る」ように、1本の脚の一端に接触抵抗が結合され、もう一方の脚の他端にセ
パレータ抵抗が結合されている。電解液抵抗の抵抗数、すなわち抵抗量は、電解
液抵抗の抵抗数、すなわち抵抗に反比例している。
布に入り、かつ、出て行く、電解液中を比較的長い距離を流れる第1の電流部分
、経路「B」を通る、集電体箔/炭素繊維布界面部分で炭素繊維布に入り、かつ
、中間部分から出て行く、電解液中を中間距離を流れる第2の電流部分、および
経路「C」を通る、炭素繊維布の全厚さを通って流れた後、集電体箔/炭素繊維
布部分で炭素繊維布に入る、電解液中を比較的短い距離を流れる第3の電流部分
をさらに示している。
内部抵抗、小形かつ長寿命の二重層コンデンサの製造を可能にするレベルまで抵
抗を小さくした本発明者の成功に、重要な意義を持っている。
見た総抵抗は、125mΩ以下である。
804を有している図が示されている。図800は、電流が電極804と電解液
を通してセパレータ808から集電体802に流れる時に電荷が取るかもしれな
い多重経路を表わしている。
、炭素繊維束806に入るまで、電極804に入るかもしれない。その後、電荷
は、炭素繊維束806を通して軸方向に集電体802に移動する。電荷は、電極
804からの抵抗RELと電解液からの抵抗RESを受ける。そして、電流は、集電
体802を通して流れ、RCを受ける。異なる経路「D」、「E」、「F」によ
り示されているように、電極と溶液抵抗の量は、それぞれの電荷とそれが取る経
路に対して異なっている。経路「D」をとる電荷は、たとえば、経路「F」の電
荷より大きな溶液抵抗(RES)とより小さな電極抵抗(REL)をうける。その上
、それぞれの経路は個別の静電容量を生成する。実効静電容量は、個別の静電容
量C1からCNの合計である。
デンサを使用する例が示されている。図9において、両方の端子と関連する接触
抵抗2×RC、アルミニウム含浸炭素布電極抵抗2×REL、電解液抵抗2×RES
および(無視できるほどに十分に小さくなければ)セパレータ抵抗RSEPを含む
、図6に示されているコンデンサ内部抵抗の全てが、コンデンサ内部抵抗RZに
含まれている。
、 ε=(1−τC/τ) (9) を表わしている。
率よく電力を送出することができる場合は、RLは従って、コンデンサの特性R
C時定数τCに強く依存している。コンデンサの特性RC時定数τCは、次に、上
述されているように、コンデンサの内部抵抗RZに直接関連している。二重層コ
ンデンサCを用いて達成される、効率的で、実用的で、高速度な電力送出回路に
対して、コンデンサの内部抵抗RZは、コンデンサの低い時定数τCが実現できる
ように最小化されなければならないことが明らかである。
に、非常に低い内部抵抗、すなわち、図12〜24に示されている実施形態に対
して150mΩまたはそれを下回るオーダを達成する、図9の等価回路に示され
ているタイプのアルミニウム含浸炭素布電極二重層コンデンサを提供している。
意味あることには、表1において示されている仕様に従って動作する二重層コン
デンサは、約1.2秒の時定数τCを示している。達成されるエネルギー密度は
2.9〜3.5W−hr/kgの範囲で、電力定格は1000W/kgを超えて
いる。
サの特定の実施形態の、より詳細な説明が示されるであろう。以下の説明は、図
10から22における構造の説明と図23と24における工程の説明の両方を参
照している。
、二重層コンデンサのハーメチックシールされた実施形態(図2)を製作する時
に行われるステップは、溶融アルミニウム94が炭素繊維布92に編まれた炭素
繊維束の活性炭繊維のトウに深く含浸されるように、溶融アルミニウム94によ
り炭素繊維布92(図10)に(プラズマ噴霧とも呼ばれる)ワイヤアーク噴霧
をすることである。噴霧される炭素繊維布92は市販品として利用可能な布であ
るのが好ましい。
て得られる。ローラ96は通常約914.4mm(36インチ)幅である。ある
長さの炭素繊維布92は、ローラ96から解かれ、たとえば、適当なフレーム9
8(図11)内に保持され、または、連続製造工程における適当な(示されてい
ない)ガイドにより保持されている。
108、X−Y制御器102および全てがアーク噴霧ノズル100に接続されて
いるアルミニウムワイヤ106と104が示されている。アーク噴霧ノズル10
0は、噴射噴霧ノズル101を取りつけられている。炭素布92、裏打ちメッシ
ュ93、換気扇112および溶解金属噴霧94もまた示されている。
打ちメッシュ93上に水平に置かれている炭素布92上に下向きに行われる。フ
レーム98は、炭素布92がおおむね保持される必要がない時の全くのオプショ
ンである。
霧ノズルである。空気圧縮機110は一次ライン114を通してアーク噴霧ノズ
ル100に約50〜60psiで圧縮空気を送り、そして、別のライン、すなわ
ち、2次ライン116は約40psiで噴射噴霧ノズル101に圧縮空気を運ぶ
。この2次ライン116は炭素布92に対する溶融金属噴霧94の強さを高め、
それにより、より少ないアルミニウムがより短い時間で噴霧されることを可能に
する一方で、従来のワイヤアーク噴霧技術と同じ含浸深さを達成することにより
、炭素繊維布への金属の含浸を増強する。
ると、より効果的なアルミニウムの炭素布92への含浸を可能にする別の噴射噴
霧ノズルの代わりに、単一アーク噴霧ノズルのみを使用する従来のアーク噴霧法
におけるよりも少ないアルミニウムが実際に噴霧される。さらに、噴射噴霧ノズ
ル101の使用は、含浸工程が従来のアーク噴霧工程よりもずっと短い時間で完
了することを可能にしている。さらに、より少ないアルミニウムがより少ない時
間で完了するため、炭素布92の表面上に形成される、結果として得られる溶融
金属の層は、従来のワイヤアーク噴霧技術を用いて形成された層より薄い。
されるべきである。チタンまたは銅のような他の適当な金属が当分野の技術者に
より使用されてもよい。
ム溶融に使用される電流が約31Vのアーク電圧で80〜90アンペアである。
圧縮空気は、図11において、一次ライン114と2次ライン116に対してそ
れぞれ約60psiと40psiの圧力で維持されている。噴射噴霧ノズル10
1の先端と布の間の距離は、127から152.4mm(4.5から6インチ)
の間である。完全な噴霧パターンは、従来のワイヤアーク噴霧技術を用いた約4
5秒に比べて、約1秒の時間において一定速度で移動させられる。アーク噴霧ノ
ズル100と噴射噴霧ノズル101は、溶融アルミニウム94の流れが最小限の
重なりを持って、できる限り一様に炭素布92をおおうように調整されている。
の間で、裏打ちメッシュ93(図11)の前面で炭素繊維布92を保持している
。使用されると、フレーム98は58.42mm(2.3インチ)×869.9
5mm(34.25インチ)のおよその寸法を有している炭素繊維布92の「窓
」を溶融アルミニウム94のアーク噴霧に露出する。アーク噴霧ノズル100と
取り付けられた噴射噴霧ノズル101は、所望の噴霧パターンを炭素繊維布92
上に提供するために、X−Y制御器102により制御されることができる。炭素
繊維布92は、重力が、さらに、溶融アルミニウムの炭素繊維布92のトウへの
含浸を増強するように、含浸中に水平に保持されるのが好ましい。
6をそれぞれのアルミニウムワイヤのローラからアーク噴霧ノズル100へ制御
された速度で供給することにより形成される。ワイヤ104と106は、アルミ
ニウムワイヤに限定されず、銅またはチタンのような別の適当な金属を含んでも
よい。アルミニウムワイヤ104、106の先端は、特定の距離だけ離れてアー
ク噴霧ノズル100内に保持されている。電力源108により、電流がアルミニ
ウムワイヤ104、106を通して流され、アルミニウムワイヤ104、106
の先端を横切ってアークが形成される。電気的アーク形成はアルミニウムワイヤ
104、106の先端を溶解させ、また、蒸発させるか、または、霧化させる。
アルミニウムワイヤ104、106の先端からアルミニウムが溶解し、蒸発する
ため、アルミニウムが、空気圧縮機110により供給された圧縮空気の噴射によ
り、また、噴射噴霧ノズル101を通して、アーク噴霧ノズル100からプラズ
マ流で運ばれる。アルミニウムがプラズマ流94で消費され、持ち去られるため
、追加のアルミニウムワイヤ104、106は、アルミニウムワイヤ104、1
06の先端を横切るアークに対して所望の隙間を維持するために、アーク噴霧ノ
ズル100に調量される。このように、アルミニウムワイヤ104、106は、
蒸発か、または、溶解か、霧化させられたアルミニウムの一定流が炭素繊維布9
2に向けられるように、アーク噴霧ノズル100に連続して調量される。
内の矢印を用いて図11において示されているような、向こう−上−後ろ噴霧パ
ターンをたどって、炭素繊維布92の上、および、中に噴霧される。約6.35
mm2(0.25平方インチ)のメッシュ開口を有している裏打ちメッシュ93
は、蒸発か、または、霧化された溶解アルミニウムにより炭素繊維布92の体積
含浸を最適化するために、プラズマ流が炭素繊維布92を通過し続けることを可
能にしている。アルミニウムワイヤ104、106は、25.4mm(1インチ
)の約1/16の直径を有している99.5%純粋アルミニウムであることが好
ましい。
100、噴射噴霧ノズル101、X−Y制御器102、フレーム98およびワイ
ヤ104、106は、(溶解され、また、蒸発か、または、霧化させられたアル
ミニウムを閉じ込めるために)アーク噴霧チャンバに配置されている。チャンバ
中の空気は乾燥させられる。換気扇112は噴射噴霧ノズル101から離れる方
向(好ましくは下方向)へチャンバを通して一定の空気流を維持する。炭素繊維
布92は、使用される時にフレーム98内で締めつけられ、単一噴霧パターンが
実施される。炭素繊維布92の一方の側のみがアーク噴霧される。噴霧されると
、炭素繊維布92はフレーム98からはずされる。新たな長さの噴霧されない炭
素繊維布92は、次に、アーク噴霧されるべき次の炭素繊維布92のストリップ
に対して、必要に応じて、フレーム98内で割り出される。
度で横切られる。噴射噴霧ノズル101の個々のアーク噴霧ノズルは、溶解およ
び蒸発または霧化させられたアルミニウムの流れが最少の重なりで、できる限り
一様に炭素繊維布92を覆うように調整されている。
し、炭素布の背面上で見ることができる裏打ちメッシュ93のわずかな可視パタ
ーンがあるべきである。こうしたパターンは、アーク噴霧工程中の体積含浸を最
適化するために、少なくともある量のアルミニウムが炭素布にすみずみまで浸透
したという視覚による確認を提供している。上述したように、アルミニウム層は
、従来のワイヤアーク噴霧技術を用いて形成された層より薄い。
置を動作させる詳細および方法は、当分野の技術者には公知である。
方向抵抗を減ずることである。アーク噴霧の前と後および種々の量のアルミニウ
ムで取得された、アルミニウム含浸炭素繊維布電極直列抵抗(ESR)の計測デ
ータが表2に要約されている。
2gの炭素を含んだアルミニウム含浸炭素繊維布電極を用いて取得された。噴霧
されていない布における炭素密度は0.26g/cm3であった。
維布の抵抗は50倍まで減ぜられる。アルミニウム含浸炭素繊維布電極構造の体
積抵抗率の減少により引き起こされる、こうした抵抗の劇的な減少は、直接に電
極抵抗RELに影響を与え、従って、二重層コンデンサの能力を向上させて低い時
定数を示す。
ニウム含浸炭素繊維布電極の抵抗を減少させるステップは、所望の量のアルミニ
ウムに対して最も低い電極抵抗を生成するために最適化されなけらばならない工
程である。あまりにもアルミニウムが少ないと、抵抗は高いままである。あまり
にアルミニウムが多いと、アルミニウム含浸炭素繊維布電極の重量が十分に増加
してエネルギー密度を劣化させる。あまりにアルミニウムが多いと、また、活性
炭繊維の表面領域の全てに接触して、それにより、効果的に利用できる表面領域
を減ずるように、電解液が炭素繊維布の織布に浸透することが妨げられる。
で炭素繊維布の上表面または前表面をまさに被覆する以上のことをすることが重
要である。アルミニウムは確かに上表面を被覆するが、アルミニウムは、また、
炭素繊維布の中に、または、炭素繊維布内の炭素繊維束の隙間の間に、深く浸透
し、それにより、炭素繊維布をアルミニウムで含浸させる。アルミニウムによる
炭素繊維布の含浸の意味は、図4Aから5Bを参照して最もよく説明されている
。
図4Aにおいて見られるように、炭素繊維布92は、炭素繊維布92を形成する
ために編まれている複数の炭素繊維束120で構成されている。単純化のために
、図4Aにおいては、4つのこうした炭素繊維束120のみが示されている。概
念的に個々の炭素繊維束120の断面図を説明している、図4Bにおいて最もよ
く見てとれるように、それぞれの炭素繊維束120は多くの活性炭繊維122で
構成されている。
した横方向抵抗は比較的高い。電極抵抗RELを減ずるために低められるのは、こ
の横方向抵抗、すなわち、炭素繊維布92の一方の側の点「A」から炭素繊維布
92の他方の側の点「B」までの抵抗である。アルミニウムアーク噴霧94で炭
素繊維布92をアーク噴霧することにより、図4Bに示されるように、アルミニ
ウムが炭素繊維束120のトウ126の中に流される。炭素繊維束120のトウ
に対する、こうした浸透または含浸は、個々の炭素繊維122の間の接触抵抗を
減ずる。活性炭繊維122の、固有の低い軸方向抵抗とともに得られる低い横方
向接触抵抗は、炭素繊維布92の全幅を通して作られる非常に低い抵抗経路を生
成する。すなわち、アルミニウム含浸炭素繊維布電極を通して非常に低い横方向
抵抗を生成する。
ない。多孔性は、十分な電解液が炭素繊維束の孔に入るように顕微鏡レベルで維
持される。従って、たとえ金属含浸剤が炭素布のある量の隙間体積を塞ぐとして
も、金属含浸剤は、炭素布92の多孔性と接触するのに十分に小さくはなく、そ
の結果、炭素布92の多孔性は含浸工程中は維持される。噴霧された炭素布92
の得られる面積/単位体積または噴霧された炭素布92の隙間体積は約600m 2 /cm3である。一方、あまりにも多くの金属が炭素繊維布に含浸させられる時
、金属は、炭素繊維布それ自体に浸透できる電解液に対する障壁として働いても
よい。
ルミニウムで炭素繊維束120のトウ122を含浸させるのみならず、炭素繊維
布92の上表面にアルミニウムの層124をも形成する。層124は薄く、炭素
布の表面形状の輪郭を持つ。図10と11に示されている噴射噴霧技術の使用は
、従来のワイヤアーク噴霧技術よりずっと薄いアルミニウムの層124を提供す
る。たとえば、層124の厚みは、通常、1つの炭素繊維束120の厚みのせい
ぜい1/4である。さらに、アルミニウムのある量はまた炭素繊維束120の間
の隙間128のある量を満たす。アルミニウム層124は、集電体箔68、72
(図2)と良好な電気接触をする助けになる(低抵抗)が、集電体そのものとし
て機能することは考えられていない。すなわち、アルミニウム層124は、接触
抵抗RCを低下させるのに役立つ。炭素繊維束120の間の隙間128の中のア
ルミニウムの存在は、アルミニウム含浸電極に重さを与え、従って、適切な体積
抵抗率と低い特性RC時定数を達成した後、最少化されるべきである。
別の実施形態の側断面図が示されている。3重ねじれ炭素繊維束のひとつの断面
は図5Bに示され、さらに説明されている。炭素布92はもっぱら3重ねじれ炭
素繊維束121から編まれている。
じれ炭素繊維束121の断面図が概念的に示されている。3つの炭素繊維束12
3は、個々の繊維を有しており、3重ねじれ炭素繊維束121への金属の理想的
な含浸深さと同様に、それぞれの炭素繊維束のトウが示されている。
さである、3重ねじれ炭素繊維束121を形成するために一緒にねじられる。図
5Aの炭素布は、多くの3重ねじれ炭素繊維束123から編まれるであろう。ね
じることにより、個々の炭素繊維が、繊維束123の長さを通して放射方向に延
びる時に回転させられる。従って、3重ねじれ繊維束123の個々の繊維の全て
に到達するのに、より少ないアルミニウムが含浸させられる必要がある。これに
より、繊維束123内の炭素接触に対する炭素の量を減ぜられ、その結果、図4
Aにおける単一繊維束120によるよりもむしろ3重ねじれ繊維束を用いること
により、炭素布92の横方向抵抗を低下させている。ねじれ力は、特に、炭素繊
維束123が少しほつれ始める、それぞれの炭素繊維束123の端で、炭素繊維
の形状を変位させ、その結果、より多くのアルミニウム94がトウ126内に含
浸させられることを可能にしている。従って、図4Aにおいて、点「B」の方向
から点「A」への電流の流れは、図5Aに示されている3重ねじれ繊維束により
改善される。炭素繊維束121のねじれおよびトウの大きさを変えることにより
、横方向抵抗は低下させられることができ、それにより、炭素布92における横
方向電流が最適化される。
ルミニウムの理想的な含浸深さは、いまだ定量化されていない。しかし、断面で
観察される時、含浸パターンは、束が布の表面で露出されている場所で、利用で
きるトウ体積の約2/3〜3/4を満たしている、図4Bと5Bにおいて説明さ
れているパターンと同じであると考えられている。個々の炭素繊維束に対して、
図4Bおよび5Bにおいて示されているのと同じ断面図を有しているのは、全炭
素布を通しておよそ1/4である。
重量は、アルミニウムを加えた炭素布の全重量の約20〜30%の間、たとえば
、25%、または、電解質を含む全重量の約15%に維持されている。これは、
従来のワイヤアーク噴霧技術において、アルミニウムを加えた炭素布(図4Aの
炭素布か、図5Aの3重ねじれ炭素布)の全重量の約50%に匹敵している。重
量の低減は、主に炭素繊維布の表面上に堆積されたアルミニウムの層124の低
減のせいである。
ウムで含浸された(ブロック200)後、炭素布のストリップが形成される(ブ
ロック202)。二重層コンデンサの本発明の実施形態において使用されるため
に、炭素繊維布92は適当な大きさを有しているストリップに切断される。炭素
布ストリップは、必要に応じて打ち抜かれてもよい。
136、ヘッダプレート132との第1の端子134のインタフェースでのガラ
ス金属シール(ハーメチックシールとも呼ばれる)138、絶縁障壁140およ
び第一集電体箔130が示されている。
ート132を形成する事前ステップが実行される(ブロック220)。(図21
Aから22に示されているように)容器はステンレススチールを含んでいる金属
容器であるが、チタンまたはアルミニウムのような他の金属を含んでいてもよい
。ヘッダプレート132は、通常、容器と同じ材料で作られている。次に、コン
デンサ端子が、貫通タイプ端子のために、ガラス金属シール138でヘッダプレ
ート132上に取りつけられる。(図23のブロック22)第1の端子134は
、ハーメチックシールまたはガラス金属シール138が第1の端子134とヘッ
ダプレート132の間に形成されるようにヘッダプレート132に取りつけられ
る。ガラス金属シール138は、第1の端子をヘッダプレートから絶縁し、汚染
物質の漏れが二重層コンデンサに入るのを実質的に低減するようにシールを提供
している。この特徴の利点はさらに以下で説明されている。第1の端子134は
、示されているように、ヘッダプレートを通り抜ける貫通端子である。第2の端
子136もまたヘッダプレート132に取りつけられる(溶接される)。ガラス
金属シール138と同様に端子134と136を完備しているヘッダプレート1
32は、ウィスコンシン州にあるTeknaSealから市販品として利用でき
る。本実施形態において、ハーメチックシールは、第1の端子をヘッダプレート
と容器から絶縁している。
、酸化ホウ素(17%)、アルミナ(8%)、酸化カリウム(1%)、酸化ナト
リウム(7%)および酸化リチウム(1%)で構成されている。表3は、ガラス
金属シール138に関連する物理特性を示している。熱膨張および収縮はヘッダ
プレート132の膨張と収縮に一致するため、ガラス金属シール138とヘッダ
プレート132は、ある温度範囲においてシールを行うために、同じだけ膨張お
よび収縮することが重要である。
あるコンデンサ端子を有していることが有利である。第1の端子134と第2の
端子136をはんだ可能にするために、第1の端子134と第2の端子136は
、プラチナ被覆された端子またはプラチナ被覆されたモリブデンワイヤで構成さ
れている。プラチナ被覆は、端子がはんだ可能になるように使用され、モリブデ
ンは、ガラス金属シール138が有しているのと同じ熱膨張および収縮係数を有
しているために使用されている。プラチナとモリブデンは両方とも、ガラス金属
シール138と同じ熱膨張および収縮係数を有している。従って、端子が熱源に
さらされると、プラチナ被覆されたモリブデン端子はガラス金属シール138と
同じ速度で膨張するであろう。熱膨張および収縮係数が同じでないならば、端子
は、ガラス金属シール138より早く膨張し、ガラス金属シール138にひびを
入れるか、または、電解液の漏れを許すことにより、ガラス金属シール138の
効率を減ずる可能性がある。図12から24に示されているハーメチックシール
されたコンデンサのような非常に小さな設計において、この漏れを防ぐことは重
要な特徴であり、従って、ガラス金属シール138が使用される。従って、第1
の端子に対するプラチナ付加されたモリブデンの特別な選択は、貫通端子である
ため、コンデンサの寿命にとって重要である。第2の端子136は、はんだ付け
性のためにプラチナ被覆されているべきであるが、金属プレート132を貫通し
ないために、モリブデンワイヤである必要はない。
々の方法でモリブデンワイヤに適用されてもよい。プラチナ被覆されたモリブデ
ンは、ヘッダプレートを貫通し、その後、ガラス金属シール138がプラチナ被
覆されたモリブデンとヘッダプレートの間に形成される。プラチナ被覆は、約0
.00254mm(100マイクロインチ)厚である。モリブデンの代わりに、
チタンのような他の材料が使用されてもよいが、チタンはモリブデンよりも抵抗
値が高い。
フローの平行経路において、集電体箔が準備されている。集電体箔を準備する第
1のステップは、アルミニウム箔を適切で所望の大きさに切り(ブロック208
)、その後、アルミニウム箔を正確な大きさに打ち抜くことである(ブロック2
10)。集電体に使用される好ましいアルミニウム箔は、約0.0508mm(
0.002インチ)の厚みを有している。この実施形態に対して、2つの集電体
箔が形成されている。(正極を有している)第1の集電体箔130は約44mm
の長さで、約25mmの幅である。(負極を有している)第2の集電体箔は長さ
約62mmで、幅約25mmである。
ており(図23のブロック212)、一端は、ガラス金属シール138でヘッダ
プレート132を貫通し、それにより、第1の端子134の露出された(外の)
部分と第1の集電体箔(130)の間の電気接続を提供し、同時に、第1の集電
体箔と第1の端子134をヘッダプレート132から絶縁している。絶縁障壁1
40は、さらに第1の集電体箔130のヘッダプレートからの絶縁を確実にする
ために、ヘッダプレート132と集電体箔130の上端の間に挿入されることが
できる。第2の端子136は、第2の端子136がヘッダプレート132を通過
しないようにヘッダプレート132に溶接されている。第2の端子136は、ヘ
ッダプレートに電気的に接触するであろう。
136、フィルホール142、ガラス金属シール138および第1の端子134
の内部に溶接された第1の集電体箔130の上面図が示されている。
図14から20はこの工程を説明している。
低い接触抵抗の電気接続を生成し、次に、第1の炭素繊維布144と第1の端子
134の間で低い接触抵抗の電気接続を生成するために、炭素繊維布144のア
ルミニウム側が第1の集電体箔130に接して配置された状態で、第1の炭素繊
維布144は、第1の端子134を覆って折り曲げられている。第1の炭素繊維
布144は、二重層コンデンサの第1の電極146を形成している。
部に折り曲げられた状態が示されている、アルミニウムで含浸させられた第1の
炭素繊維布144および第1の炭素繊維布144と第1の集電体箔130と第1
の端子134の間で低い接触抵抗の電気接続を生成するために、第1の炭素繊維
布のアルミニウム側が集電体箔130と電気接触するように配置された状態での
集電体箔130の上面図が示されている。ヘッダプレート132およびフィルホ
ール142もまた示されている。
200〜202)およびアルミニウム集電体箔130を準備すること(ブロック
208〜210)に加えて、多孔性セパレータ66(図2)もまた、ポリプロピ
レンまたはポリエチレンのようなセパレータ材料でできたストリップを切ること
により形成されなければならないことが見てとれる。適当なポリプロピレンベー
スセパレータ材料は市販品で利用できる。使用されている通常のポリプロピレン
ベース材料は約0.0254mm(0.001インチ)厚で、約0.04×0.
12μmの平均孔サイズを有している。
覆されたモリブデン端子を使用したい時には、コンデンサ容器がはんだ付け工程
中に熱環境にさらされるかもしれないので、選択される内部部品には慎重な注意
が払われなければならない。たとえば、自動化はんだ付け工程において、コンデ
ンサ容器は、はんだ炉内で最長5分間、最高250℃へ露出させられるかもしれ
ない。従って、内部部品は、熱に耐えることができなければならない。セパレー
タ材料は、高温時に溶融する傾向があるため、最も脆弱である。こうした溶融は
、コンデンサ内の短絡をもたらす可能性がある。テスト中、二重層コンデンサ設
計において、アセトニトリル(溶媒)中のテトラエチルアンモニウムテトラフル
オロボラン(塩)で構成されている電解液と組み合わせて通常使用されるポリプ
ロピレンベースセパレータは、こうした熱にさらされている間に働かなくなる(
すなわち、セパレータが溶解する)。約10秒の間、同じ熱にさらされた時でさ
え、テストコンデンサのあるものは働かなくなり、有意の平行コンダクタンスを
生成しなくなった。
tonにあるW.L.Gore and Co.から利用できる、多孔性のTe
flonベースセパレータが使用されている。静電容量および抵抗により、Te
flonベースセパレータは、本質的に、上述したポリプロピレンベースおよび
ポリエチレンベースセパレータと同等である。テトラエチルアンモニウムテトラ
フルオロボラン(塩)とアセトニトリル(溶媒)の電解液およびテトラエチルア
ンモニウムテトラフルオロボラン(塩)と炭酸プロピレン(溶媒)を組み合わせ
た、Teflonベースセパレータは、最長5分間、最高250℃の熱源に耐え
ることができ、従来のはんだ炉と整合性があったが、ポリプロピレンベースおよ
びポリエチレンベースセパレータは共に働かなくなった(すなわち、溶解した)
。以下に示されている表4は、最長5分間、最高250℃の熱源にさらされる前
と後の、抵抗と静電容量の両方の結果を説明している。静電容量の変化は無視で
きたが、溶媒として炭酸プロピレンおよびアセトニトリルを用いた電解液の間に
、抵抗のわずかの増加が観察された。従って、アセトニトリルは好ましい溶媒で
ある。再び、ポリプロピレンセパレータは熱露出で働かなくなった(溶解した)
。
ースかTeflonベースのいずれか)148が、(点線で示されている)第1
の炭素布電極146を覆って折り曲げられ、いくらかの公知の加熱シールまたは
溶接技術の任意の技術を用いて端でシールされている。それ自体、多孔性セパレ
ータは第1の炭素布、第1の集電体箔および第1の端子134の内部を覆ってい
る。
の集電体箔130および第1の端子の内部を覆っている時に、多孔性のセパレー
タ148のシールされた端が特にはっきりわかる図16の上面図が示されている
。
孔性のセパレータ148から向きをそらせた状態で、第2の炭素繊維布150が
第1の端子134の内部に沿って多孔性のセパレータ148をおおって折り曲げ
られている。この第2の炭素繊維布150は、二重層コンデンサの第2の電極を
形成している。
素布150を覆って折り曲げられた第2の集電体箔152が示されている。第2
の集電体箔152は、第2の炭素繊維布150のアルミニウム側の一方の側の半
分を露出されたままにするために、第2の炭素繊維布150のアルミニウム側の
半分の全域にわたって延び、また、第2の炭素繊維布150のアルミニウム側の
別の半分の1/2の領域にわたって延びている。
、第2の炭素繊維布150の他方の側の半分にわたって延びている第2の集電体
箔152の部分に対して、覆うように折り曲げられており、これにより、露出さ
れた半分を第2の集電体箔152と接触させ、第2の炭素繊維布150のアルミ
ニウム側の全長に沿って第2の炭素繊維布150と第2の集電体箔152の間で
の低い接触抵抗の電気接続を生成している。
、第1の端子134、第2の端子136、第1の集電体箔、第1の炭素繊維布、
多孔性のセパレータ、第2の炭素繊維布および第2の集電体箔の側面図が示され
ている。これらの部材はまとめてコンデンササブ組み立て品154と呼ばれる。
2の集電体箔は、約1600psiの圧力を受けるために、機械的圧縮機で全て
一緒に圧迫される(図23のブロック223)。炭素繊維布は多少ふわふわして
いるため、この圧力の印加は、炭素繊維布を約15〜20%だけ薄くするために
、炭素繊維束の織布を多少圧縮するのに役立つ。炭素繊維布のこの厚みの低減は
、組み立てられた時のアルミニウム含浸炭素繊維布電極の厚みの低減、およびア
ルミニウム含浸炭素繊維布電極電極抵抗RELに直接に移行する。さらに、また、
より重要なことには、圧力の印加は炭素繊維布92の上面を滑らかにするため(
谷とピークを滑らかにする)、二重層コンデンサの接触抵抗RCを減ずるために
、第1の炭素布144と第2の炭素布150上の噴霧されたアルミニウム層12
4(図4)のより多くの表面領域が、それぞれ、第1の集電体130と第2の集
電体箔152に接触できる。
の外にさらされている第2の集電体箔を容器156の内部と電気接触させ、容器
156の端をヘッダプレート132の端と接触させるために、注意深く容器また
は缶156に挿入される(図23のブロック224)。次に、ヘッダプレート1
32は溶接により固定され、それにより、容器がシール可能になり(ブロック2
24)、ヘッダプレート132が容器および第2の集電体箔152と電気接触さ
せられる。ヘッダプレート132に溶接された第2の端子136は、容器および
第2の集電体箔152と接触させられ、こうして、第2の端子136は第2の電
極と接触し、第1の端子134は第1の電極と接触する。
立て品154は、ヘッダプレート132の端が容器156の端に溶接された状態
で示されている。フィルホール142に溶接されたボールベアリング161もま
た示されている。ボールベアリング161は、図24のブロック248まではそ
こに溶接されない。この構造の組み合わせは本明細書ではコンデンサ組み立て品
160と呼ばれる。
れているクリンプ162が示されている。クリンプ162は、クリンプツールで
コンデンサ組み立て品160の一方の側を窪ませることにより形成されている(
ブロック226)。クリンプ162は、図21Aに示されているコンデンサ組み
立て品160の反対側に示されている。クリンプ162の目的は、折り曲げられ
た第1および第2の電極に対して、適度で一定の圧力を加えることである。クリ
ンプ162は、第1の炭素布144、第2の炭素布150、多孔性のセパレータ
148、第1の集電体箔130、第2の集電体箔152および容器を物理的にぴ
ったりと接触させ、良好な電気接触(低抵抗)を提供している。クリンピングは
、布の内部抵抗を効果的に低減するために、含浸された炭素布を少し圧迫するの
と同様に部品の間の抵抗を減ずるのを助けている。適度で一定の圧力は、部分的
に、二重層コンデンサが高い静電容量を達成するのを可能にしている。さらに、
クリンプ162は、コンデンサ組み立て品に構造上の一体性を付加する機能を供
給している。
の特徴は、第1の端子134と第2の端子136がプリント回路板に直接に搭載
され、または、はんだ付けされてもよいようなものであることである。コンデン
サ組み立て品160および端子の大きさは最小化される。第1の端子は、ガラス
金属シールにより容器156から絶縁され、第2の端子は容器に関して導電性が
ある。別法として、両方の端子は貫通端子であり、容器156から絶縁されてい
てもよい。しかし、これにより汚染物が漏れ入るかもしれない(第2の端子の)
別の位置が生成される。組み立て品160の大きさが小さいため、ガラス金属シ
ールでハーメチックシールされた、ただ1つの端子とヘッダプレートに単に溶接
された他の端子を有するのが好ましい。
ク226)、電気的短絡がテストされる(ブロック228)。このテストは、単
にコンデンサの電気端子の間の抵抗を計測することにより行われる。理想的な二
重層コンデンサにおいて、(電解液がいまだ閉じられた容器に導入されていない
、「乾燥した」組み立て品に対する)この抵抗は無限大であるべきである。閉じ
られた乾燥組み立て品の端子の間で、たとえば、ほんの数Ωの低い抵抗が計測さ
れるということは、電気的短絡が組み立て品の内部で起こったことを示している
。実際問題として、少なくとも20MΩの乾燥抵抗は、電気的短絡に対するこの
テストをパスするために受け入れられる。
の中身は、たとえば、48時間の長時間にわたって容器を空にすることにより乾
燥させられる。容器は空にされ、内部部品は入念に乾燥させられる(ブロック2
30)。こうした乾燥工程は、通常、2日または3日の期間にわたって行われ、
真空ポンプをフィルホールを介して閉じた組み立て品に取り付けるステップと、
たとえば、48から72時間の指定された時間期間の間、約10-6Torrの一
定負圧力を維持するステップとを含んでいる。一旦乾燥すると、組み立て品は漏
れをテストされる(ブロック232)。こうした漏れテストは、当分野における
公知の任意の適当な技術を用いて行われてもよい。好ましい漏れテストは、閉じ
られた容器の上およびまわりで、不活性ガス、たとえば、ヘリウム(He)を噴
霧するステップを含んでいるが、それでも容器は真空ポンプに接続されており、
また、負圧力が容器内で維持されている。漏れがある場合、容器内の負圧力は、
漏れを通してHeガスを吸い込み、従って、Heガスは真空ポンプの外への流れ
の中で検出されることができる。
、フィルホールを通して、含浸される用意がされる(ブロック246)。汚染物
を最少にするために、制御された環境において真空浸透工程を用いることにより
、コンデンサ組み立て品に電解液が導入される。
る。そのため、溶液を準備するために、溶媒が準備され(ブロック234)、指
定された塩が調達される(ブロック236)。上述したように、好ましい溶媒は
有機溶媒アセトニトリル(CH3CN)である。好ましい塩はテトラエチルアン
モニウムテトラフルオロボランまたは(CH3CH2)4N+BF4 -である。はんだ
可能である実施形態に対して、好ましい塩はやはりテトラエチルアンモニウムテ
トラフルオロボランであり、好ましい溶媒はやはりアセトニトリルであることに
注目されたい。さらに、別の好ましい塩は、テトラエチルアンモニウムテトラフ
ルオロボランより少し溶けやすい、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオ
ロボランまたは(CH3CH2)3CH3N+BF4 -である。電解液は、最初に少な
くとも12時間の間、塩を乾燥させ、次に、乾燥した塩を溶媒の中で溶融するこ
とにより混合される(ブロック238)。溶媒に対する塩の比率は、303.8
g/literで、それにより、1.4moles/literが生成される。
液中の水の量は20ppm(parts per million)を下回る値
、好ましくは、約15ppmを下回る値に減ぜられることが重要である。電解液
の中の不純物、たとえば、水のレベルが20ppmを超える時、二重層コンデン
サの動作寿命は悪い影響を受ける。電解液が二重層コンデンサの容器に含浸され
る前に、不純物、特に水が電解液から除去されていることが重要である。(たと
えば、性能を向上させるため、または、コンデンサの動作寿命を改善するために
、電解液になにかの添加剤が付加されるかもしれないが、本発明の実施形態にお
いて、水は避けられるべきであることに注目されたい)。
測される。この目的のために使用されるかもしれない代表的な滴定器はEM S
cience Aquastarから利用できるLC3000 Titrato
rである。
の水が、閉じられた容器組み立て品の内部にすでに入っているかもしれない。た
とえば、水は、炭素繊維布の炭素繊維束の活性炭繊維にトラップされるかもしれ
ない。こうしてトラップされた水は、電解液の中に放出され、それにより、不純
物無しの電解液が容器に含浸させられるとすぐに電解液内の不純物になる。こう
した水(または同様な不純物)を炭素から除去するために、閉じられた組み立て
品が、容器を電解液で満たす前に、適当な溶媒、たとえば、アセトニトリル、電
解液または他の水捕捉材料で洗浄されることが予想される。アルミニウムで含浸
させられる前、および/または、アルミニウムで含浸させられた後で、しかし、
アルミニウム含浸炭素布電極に組み立てられる前に、炭素繊維布は、不純物、特
に水(たとえば、水を探し出して除去する水捕捉剤または添加剤)を除去するた
めに選択された適当な材料で洗浄または清掃されてもよい。
テストされる(ブロック242)。導電性テストは、ac信号を用いてコンダク
タンスを計測する従来のコンダクタンス計を用いて行われた。溶液のコンダクタ
ンスは22℃で少なくとも55〜58mmho/cmであるべきである。
含浸させられる(図24のブロック246)。
デンサ組み立て品のフィルホールをシールし(ブロック248)、電解液を含む
ために、ヘッダプレートのフィルホールの上を溶接される。
めに、二重層コンデンサの最終電気テストが行われる(ブロック250)。
6時間の間、充電するステップと、その後、二重層コンデンサが14時間の期間
にわたって自己放電することを可能にするステップとを含んでいる。この14時
間自己放電期間中に起こる電圧降下は、二重層コンデンサの等価並列抵抗の計測
値を提供し、その値は少なくとも40000Ωであるべきである。
するために、二重層コンデンサを一定電流循環テストを受けるステップを含んで
いる。このテストは、2相の300mAおよび/または1Aの電流を二重層コン
デンサに印加することにより行われる。電流の印加から得られる電圧波形が計測
される。時間計測を含む電流および電圧波形から、コンデンサを特徴付けるため
に多数のパラメータが決定される。こうしたパラメータは、充電容量Cup、放電
容量Cdown、半分放電容量C1/2および定常状態抵抗R∞を含んでいる。現在課
されている所望の性能基準を満たすために、これらの値はCdown>10Fara
d、R∞<125mΩ、Cup/Cdown>0.98およびCdown/Cup<1.05
であるべきである。
きキーパラメータは、初期抵抗R0である。この抵抗は、二重層コンデンサが送
ることができるピーク電力に影響を与える。初期抵抗は、Solatron 1
250周波数応答解析器およびPARK 273ポテンショスタットを用いて1
000Hzで計測される。R0はR∞の値の約半分または約65mΩであるべき
である。
歩を表わしていることが見てとれる。アルミニウムで含浸され、集電体箔プレー
トのまわりに折り曲げられた炭素繊維布の使用により、非常に低い電極抵抗を提
供する、効率のよい電極構造が形成される。説明され、示されているように、約
2.3voltsの公称動作電圧で10Faradsを超える静電容量値、約1
.25mΩの電極抵抗、約1.2秒の時定数、2.9〜3.5W−hr/kgの
範囲のエネルギー密度および1000W/kgを超える電力定格を示す二重層コ
ンデンサが実現される。有利には、これら動作パラメータは、二重層コンデンサ
がより高い電圧、たとえば、2.7voltsまたはさらに3.0voltsで
動作し(これは、全ての不純物が電解液から除去された時に容易に行えるのだが
)、容器の重量が減ぜられる時に改善することができる。たとえば、3.0vo
ltsの動作電圧で、エネルギー密度は5.0W−hr/kgに上昇する。さら
に、ポリプロピレンセパレータの代わりに、ポリエチレンセパレータを用いるこ
とにより、実行電極抵抗はさらに低減され、二重層コンデンサの時定数が約1.
0秒に減ぜられることを可能にするかもしれない。
チックシールの利点が議論されている。非水性電解液を使用している電気化学コ
ンデンサの寿命は、ハーメチクシールがコンデンサに使用されると、延ばすこと
ができる。ハーメチックシールはセルへの酸素と水の流入を制限する。コンデン
サシール面積に対する電解液体積の比が非常に小さく、従って、コンデンサシー
ル面積に対してずっと大きな電解液体積を有している、より大きなコンデンサよ
りも湿気の流入がより深い影響を与えるために、ハーメチックシールは大きさの
小さいコンデンサにおいて非常に重要である。(以下の)表5は、異なるタイプ
の重合体とガラスを通した水蒸気伝導率を示している。伝導率はガラスよりも重
合体材料においてより高い桁であることを見てとることができる。伝導率は、温
度が華氏75度から110度に上昇すると、少なくとも一桁だけ上昇することも
見てとれる。水汚染物レベルに対する増加した伝導率の効果が図25に示されて
いる。図12から24におけるように、コンデンサの設計(すなわち、PC 1
0)は、ハーメチックシールのない同様な大きさのコンデンサ(ハーメチックシ
ールのないコンデンサ)との比較として使用された。使用されたコンデンサパッ
ケージは25mm×44.5mmの大きさであった。このテストのためにコンデ
ンサの内部部品が取り除かれた。パッケージは、30ppmの水の汚染物レベル
で約1.5mlの電解液で満たされた。セルは、60℃に加熱され、水汚染をチ
ェックするために周期的に取り外された。これらのテスト結果は図25に示され
ている。ハーメチックシールパッケージを用いた同様なテストは、この、水汚染
物の増加が、改善されたシールにより実質的になくすことができることを示して
いる。
た寿命の増加は、2つのコンデンサ設計UC20とPC 10の寿命特性を比較
することにより証明されている。PC 10はガラス・金属ハーメチックシール
を使用している8Faradコンデンサである。コンデンサとシールのこの設計
の詳細は、図12〜24を参照して示されている。非ハーメチックUC20の設
計は、熱可塑性サーリンでシールされた2片のアルミニウム箔で構成されている
。コンデンサは約20cm2の活性面積を有している。2つのコンデンサの設計
に対して、時間の関数としての静電容量と抵抗の変化をプロットしている図26
を参照されたい。
UC20)について横座標軸上の時間に対する縦座標軸上の水分含有量を説明す
る図が示されている。図25に説明されているコンデンサは、サーリンイオノマ
ー/金属複合シールでパッケージされている。図において見られるように、70
0時間を超えてほとんど変わらないハーメチックシールされた二重層コンデンサ
(すなわちPC 10)の水分含有量に比べて、非ハーメチックシールされた二
重層コンデンサの水分含有量は、ほんの200時間の動作で30ppmから19
0ppmを超えて上昇した。図において見られるように、ハーメチックシールの
使用は、コンデンサ容器への水分の流入を大きく低減し、従って、水分含有量は
、本明細書において説明された実施形態に応じた初期の設計を用いて、かなりの
時間の期間にわたってうまく制御されることができる。しかし、乾燥工程、電解
液の準備、ガラス金属シールおよびヘッダプレートの容器への溶接、ボールベア
リングのヘッダプレートへの溶接におけるさらなる開発により、ハーメチック性
のレベルの実質的な増加、従って、二重層コンデンサの寿命の増加が得られるで
あろうことが予想される。
量と内部抵抗、ハーメチックシールされた二重層コンデンサ(すなわち、PC
10)の静電容量と内部抵抗に対して、横座標軸上の時間に対する縦座標軸上の
パーセント変化の図のセットが示されている。図26において、非ハーメチック
シールされた二重層コンデンサに比べて、本明細書において説明されているハー
メチックシールを有している二重層コンデンサを製造した後に、かなりの期間に
わたって、内部抵抗は低いままで、静電容量は大きいままであることが観察され
る。
許請求の範囲に述べられている本発明の範囲から逸脱することなく当分野の技術
者により種々の修正および変更が行われることができるであろう。
面図である。
ントを示す略図である。
超近接図を概念的に示す図である。
面図である。
ルミニウム含浸剤でできた、図4に示すような炭素繊維束の横断面図である。
めに、複数の撚り繊維束がどのように編組されているかを示す図である。
ウ中深くへのアルミニウムの好ましい透過を概念的に示す図である。
に示す図である。
よび、関連する様々な経路抵抗)を通って流れる際に、電荷が通ることのできる
様々な電流経路の横断面図である。
に、炭素繊維束の布のトウ中深くにアルミニウムを含浸させるシステムの1つお
よび技法を示す略図である。
に、炭素繊維束の布のトウ中深くにアルミニウムを含浸させるシステムの1つお
よび技法を示す略図である。
ハーメチック)シールを用いてヘッダプレートにハーメチックシールされた端子
に結合された、一実施形態の集電体箔の側面図である。
レートの上面図である。
極の「アルミニウム面」を集電体箔に電気接触させ、かつ、ヘッダにハーメチッ
クシールされる端子に集電体箔を電気接触させるために、集電体箔上にアルミニ
ウム含浸炭素布電極が折り重ねられていることを示す図である。
、およびヘッダプレートの上面図である。
で示す)であり、アルミニウム含浸電極を囲む電気絶縁障壁を提供するために、
集電体箔およびアルミニウム含浸炭素布電極を覆う多孔性セパレータを備えてい
ることを示す図である。
ハーメチックシール、およびヘッダプレートの上面図である。
断面図であり、多孔性セパレータの両面上に折り重ねられた第2のアルミニウム
含浸炭素布電極、および第2のアルミニウム含浸炭素布電極の片面全面上ともう
一方の面の半分上に折り重ねられた第2の集電体を備えていることを示す図であ
る。
、図18の集電体箔、アルミニウム含浸炭素布電極、多孔性セパレータ、第2の
アルミニウム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の上横断面図である。
性セパレータ、第2のアルミニウム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の側
面図である。
集電体箔、アルミニウム含浸炭素布電極、多孔性セパレータ、第2のアルミニウ
ム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の側面図であり、ケースの内容物を乾
燥させ、充填孔を通して電解液がケースに添加された後、ケースにヘッダが溶接
され、ヘッダ中の充填孔が溶接玉軸受でシールされていることを示す図である。
リの反対側の面の側面図である。
図であり、クリンプも示されている図である。
施されるステップの流れ図である。
施されるステップの流れ図である。
1から図22の実施形態(ハーメチックシール二重層コンデンサ)の、横座標軸
上の時間に対する縦座標軸上の水分含有量を示すグラフである。
よび図11から図21の実施形態などのハーメチックシール二重層コンデンサの
キャパシタンスおよび内部抵抗の、横座標軸上の時間に対する縦座標軸上の百分
率変化を示す一組のグラフである。
22は、本教示による好ましい形状を示し、図2から図5Bは、本教示の特定の
特徴を概念的に示したものである。図6から図9は、電気的等価、詳細には本教
示によって最小化された内部抵抗コンポーネントを示したものである。図10お
よび図11は、アルミニウム含浸炭素布電極の製造プロセスの態様を示したもの
である。図23および図24は、本教示の二重層コンデンサの製造プロセスを、
流れ図を用いて示したものであり、また、図25および図26は、本教示の長寿
命態様の実験的証拠を示したものである。
ミニウム含浸炭素布電極62および64(図2)を作ることができる。例えば、
図3に示す活性炭繊維76および78など、このような布の活性炭繊維の直径は
8ミクロン(8×10-6m)程度であり、炭素繊維布全体の厚さは、約0.53
ミリ(mm)である。活性炭繊維中のポアーの平均径は44オングストローム程
度であり、ポアー/孔の体積は、約1.2ml/gである。ポアー/孔の体積は
、布中の3種類の孔またはポアー、すなわち(1)個々の活性炭繊維中のポアー
またはピット(図3に示す、個々の活性炭繊維の表面積のほとんどをカバーして
いるポアー80など)、(2)炭素繊維束を形成する活性炭繊維間の空間(本発
明の目的に対して、この空間は、例えば図5Bに示すような断面図で見た場合、
炭素繊維束の「トウ」と呼ばれる)、および(3)炭素繊維布を形成するために
編組された炭素繊維束間の孔によるものであることを指摘しておく。このような
ポアー/孔の体積により、炭素繊維布の総表面積を約2,500m2/gにして
いる。炭素繊維布のポアー/孔の体積のため、炭素繊維布は、その表面積が広い
ばかりでなく、いくぶんスポンジ状であるため、圧縮することが可能である。通
常、布の密度は約0.26g/cm3であり、理論有効表面積/単位体積(すな
わち孔体積)を約650m2/cm3にしている。したがって、このような面積/
単位体積の場合、6F/cm3程度のキャパシタンスを実現することができる(
等式(1)参照)。
2の集電体箔は、約1600psiの圧力を受けるために、機械的圧縮機で全て
一緒に圧迫される(図23のブロック223)。炭素繊維布は多少ふわふわして
いるため、この圧力の印加は、炭素繊維布を約15〜20%だけ薄くするために
、炭素繊維束の織布を多少圧縮するのに役立つ。炭素繊維布のこの厚みの低減は
、組み立てられた時のアルミニウム含浸炭素繊維布電極の厚みの低減、およびア
ルミニウム含浸炭素繊維布電極電極抵抗RELに直接に移行する。さらに、また、
より重要なことには、圧力の印加は炭素繊維布92の上面を滑らかにするため(
谷とピークを滑らかにする)、二重層コンデンサの接触抵抗RCを減ずるために
、第1の炭素布144と第2の炭素布150上の噴霧されたアルミニウム層12
4(図4A)のより多くの表面領域が、それぞれ、第1の集電体130と第2の
集電体箔152に接触できる。
面図である。
ントを示す略図である。
超近接図を概念的に示す図である。
面図である。
ルミニウム含浸剤でできた、図4Aに示すような炭素繊維束の横断面図である。
めに、複数の撚り繊維束がどのように編組されているかを示す図である。
ウ中深くへのアルミニウムの好ましい透過を概念的に示す図である。
に示す図である。
よび、関連する様々な経路抵抗)を通って流れる際に、電荷が通ることのできる
様々な電流経路の横断面図である。
ように、炭素繊維束の布のトウ中深くにアルミニウムを含浸させるシステムの1
つおよび技法を示す略図である。
ように、炭素繊維束の布のトウ中深くにアルミニウムを含浸させるシステムの1
つおよび技法を示す略図である。
ハーメチック)シールを用いてヘッダプレートにハーメチックシールされた端子
に結合された、一実施形態の集電体箔の側面図である。
レートの上面図である。
極の「アルミニウム面」を集電体箔に電気接触させ、かつ、ヘッダにハーメチッ
クシールされる端子に集電体箔を電気接触させるために、集電体箔上にアルミニ
ウム含浸炭素布電極が折り重ねられていることを示す図である。
、およびヘッダプレートの上面図である。
で示す)であり、アルミニウム含浸電極を囲む電気絶縁障壁を提供するために、
集電体箔およびアルミニウム含浸炭素布電極を覆う多孔性セパレータを備えてい
ることを示す図である。
ハーメチックシール、およびヘッダプレートの上面図である。
断面図であり、多孔性セパレータの両面上に折り重ねられた第2のアルミニウム
含浸炭素布電極、および第2のアルミニウム含浸炭素布電極の片面全面上ともう
一方の面の半分上に折り重ねられた第2の集電体を備えていることを示す図であ
る。
、図18の集電体箔、アルミニウム含浸炭素布電極、多孔性セパレータ、第2の
アルミニウム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の上横断面図である。
性セパレータ、第2のアルミニウム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の側
面図である。
集電体箔、アルミニウム含浸炭素布電極、多孔性セパレータ、第2のアルミニウ
ム含浸炭素布電極、および第2の集電体箔の側面図であり、ケースの内容物を乾
燥させ、充填孔を通して電解液がケースに添加された後、ケースにヘッダが溶接
され、ヘッダ中の充填孔が溶接玉軸受でシールされていることを示す図である。
リの反対側の面の側面図である。
図であり、クリンプも示されている図である。
施されるステップの流れ図である。
施されるステップの流れ図である。
1から図22の実施形態(ハーメチックシール二重層コンデンサ)の、横座標軸
上の時間に対する縦座標軸上の水分含有量を示すグラフである。
よび図11から図21の実施形態などのハーメチックシール二重層コンデンサの
キャパシタンスおよび内部抵抗の、横座標軸上の時間に対する縦座標軸上の百分
率変化を示す一組のグラフである。
Claims (65)
- 【請求項1】 長寿命二重層コンデンサであって、 ケースと、 第1の端子と、 第1の端子とケースの間に挿入された電気絶縁ハーメチックシールと、 第1の端子の内部部分に電気結合された第1の集電体箔と、 第1の集電体箔に対して並置された金属含浸面を有する第1の金属含浸炭素布
電極と、 第1の金属含浸炭素布電極に対して並置された多孔性セパレータと、 金属含浸面を有する第2の金属含浸炭素布電極であって、第2の金属含浸炭素
布電極の反対側の面が、第2の金属含浸炭素布電極の金属含浸面に対向し、第2
の金属含浸炭素布電極の反対側の面が、多孔性セパレータに対して並置され、多
孔性セパレータが、第1の金属含浸炭素布電極と第2の金属含浸炭素布電極の間
に挿入される第2の金属含浸炭素布電極と、 第2の金属含浸炭素布電極の金属含浸面に対して並置された第2の集電体箔と
、 第2の集電体箔に電気結合された第2の端子と、 ケースおよび電気絶縁ハーメチックシールによって実質的に閉じ込められ、か
つ、ケースおよび電気絶縁ハーメチックシールによって不純物の流入が実質的に
禁じられる、第1の金属含浸炭素布電極および第2の金属含浸炭素布電極を浸す
電解液と を備えることを特徴とする長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項2】 前記電気絶縁ハーメチックシールが、ガラスからなることを
特徴とする請求項1に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項3】 前記第1の端子が、モリブデンからなることを特徴とする請
求項2に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項4】 前記第1の端子が、白金被覆モリブデンからなることを特徴
とする請求項2に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項5】 前記ケースが、 第1の端子との間に電気絶縁ハーメチックシールが挿入されたヘッダプレート
と、 ヘッダプレートが溶接された缶とを備えることを特徴とする請求項2に記載の
長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項6】 前記電気絶縁ハーメチックシールが、シリカ、三酸化二ホウ
素、アルミナ、酸化カリウム、酸化ナトリウム、および酸化リチウムからなる1
つまたは複数のグループからなることを特徴とする請求項2に記載の長寿命二重
層コンデンサ。 - 【請求項7】 前記ケースが導電性ケースからなることを特徴とする請求項
1に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項8】 前記導電性ケースがステンレス鋼からなることを特徴とする
請求項7に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項9】 前記第1の金属含浸電極が、 第1の炭素布電極と、 炭素繊維布のトウ中に含浸された金属と を備えることを特徴とする請求項1に記載の長寿命二重層コンデンサ。
- 【請求項10】 前記金属が、アルミニウム、銅、およびチタンからなるグ
ループから選択されることを特徴とする請求項9に記載の長寿命二重層コンデン
サ。 - 【請求項11】 前記多孔性セパレータが、最長5分間、最高250℃の温
度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項1に記載の長寿命二重
層コンデンサ。 - 【請求項12】 前記多孔性セパレータの材料がテフロン(登録商標)から
なることを特徴とする請求項11に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項13】 前記ケースが、最長5分間、最高250℃の温度への露出
に耐えることができることを特徴とする請求項1に記載の長寿命二重層コンデン
サ。 - 【請求項14】 前記電解液が、選択された溶媒および選択された塩からな
ることを特徴とする請求項1に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項15】 前記選択された溶媒が、アセトニトリルまたは炭酸プロピ
レンからなることを特徴とする請求項14に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項16】 前記選択された塩が、テトラエチルアンモニウム四フッ化
ボラートまたはトリエチルメチルアンモニウム四フッ化ボラートからなることを
特徴とする請求項14に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項17】 前記電気絶縁ハーメチックシールが、最長5分間、最高2
50℃の温度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項1に記載の
長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項18】 前記ケース内に含まれている電極アセンブリに適度の一定
圧力を加えるために、前記ケース内に形成された1つまたは複数のクリンプをさ
らに備えることを特徴とする請求項1に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項19】 長寿命二重層コンデンサであって、 ハーメチックシールケースと、 それぞれ金属含浸面を有する複数の金属含浸電極と、 各前記金属含浸面に対して、複数の金属含浸電極のそれぞれの1つに対して並
置された複数の集電体箔と、 複数の金属含浸電極のそれぞれの電極の間に置かれた多孔性セパレータ材と、 前記複数の金属含浸電極を浸し、多重電極単一セルデバイスを形成する非水性
電解液と を含むことを特徴とする長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項20】 前記ハーメチックシールケースが、ガラス−金属間シール
からなることを特徴とする請求項19に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項21】 前記ガラス−金属間シールが、最長5分間、最高250℃
の温度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項20に記載の長寿
命二重層コンデンサ。 - 【請求項22】 第1の端子が、前記ガラス−金属間シールを通して、前記
複数の金属含浸電極の少なくとも1つに結合されることを特徴とする請求項20
に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項23】 前記第1の端子がモリブデンからなることを特徴とする請
求項22に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項24】 前記ケースに電気結合された第2の端子をさらに備えるこ
とを特徴とする請求項23に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項25】 前記第1の端子がさらに白金からなることを特徴とする請
求項23に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項26】 前記第1の端子が白金被覆モリブデンワイヤからなること
を特徴とする請求項19に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項27】 前記第1の金属含浸電極が、 第1の炭素繊維布と、 第1の炭素繊維布のトウ中に含浸された金属とを備えること を特徴とする請求項19に記載の長寿命二重層コンデンサ。
- 【請求項28】 前記第2の金属含浸電極が、 第2の炭素繊維布と、 第2の炭素繊維布のトウ中に含浸された追加金属とを備えることを特徴とする
請求項27に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項29】 前記金属および前記追加金属が、アルミニウム、銅、およ
びチタンからなるグループから選択されることを特徴とする請求項28に記載の
長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項30】 前記電解液が、選択された溶媒および選択された塩からな
ることを特徴とする請求項19に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項31】 前記選択された溶媒が、アセトニトリルまたは炭酸プロピ
レンからなることを特徴とする請求項30に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項32】 前記選択された塩が、テトラエチルアンモニウム四フッ化
ボラートまたはトリエチルメチルアンモニウム四フッ化ボラートからなることを
特徴とする請求項31に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項33】 前記ハーメチックシールケースが、最長5分間、最高25
0℃の温度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項19に記載の
長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項34】 前記多孔性セパレータ材が、最長5分間、最高250℃の
温度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項19に記載の長寿命
二重層コンデンサ。 - 【請求項35】 前記多孔性セパレータ材がテフロン(登録商標)からなる
ことを特徴とする請求項34に記載の長寿命二重層コンデンサ。 - 【請求項36】 前記二重層コンデンサが、最長5分間、最高250℃の温
度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項19に記載の長寿命二
重層コンデンサ。 - 【請求項37】 前記ハーメチックシールケース内に含まれている前記複数
の金属含浸電極、前記複数の集電体箔、および前記多孔性セパレータ材に適度の
一定圧力を加えるために、前記ハーメチックシールケース内に形成された1つま
たは複数のクリンプをさらに備えることを特徴とする請求項19に記載の長寿命
二重層コンデンサ。 - 【請求項38】 長寿命二重層コンデンサを製造する方法であって、 複数の電極に金属を含浸させるステップと、 複数の電極の各々の含浸面を、それぞれ複数の集電体箔の1つに並置するステ
ップと、 複数の電極の各々の、それぞれ他の面の間に多孔性セパレータを挿入するステ
ップと、 複数の電極を電解液に浸すステップと、 複数の電極および複数の集電体箔をケース内にハーメチックシールするステッ
プと を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項39】 前記シールするステップが、 前記ケース内の開口部と第1の端子の間にガラス−金属間シールを挿入するス
テップと、 第1の端子を前記複数の集電体箔の1つに電気結合するステップと を含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。 - 【請求項40】 前記ガラス−金属間シールが、最長5分間、最高250℃
の温度への露出に耐えることができることを特徴とする請求項39に記載の方法
。 - 【請求項41】 前記含浸ステップが、炭素繊維布に前記金属を含浸させる
ステップを含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。 - 【請求項42】 前記含浸ステップが、炭素繊維布に前記金属をアーク噴霧
するステップを含むことを特徴とする請求項41に記載の方法。 - 【請求項43】 前記含浸ステップが、炭素繊維布のトウに前記金属を含浸
させるステップを含むことを特徴とする請求項42に記載の方法。 - 【請求項44】 前記金属が、アルミニウム、銅、およびチタンからなるグ
ループから選択されることを特徴とする請求項43に記載の方法。 - 【請求項45】 前記含浸ステップが、ジェットアーク噴霧ノズルを用いて
前記金属を炭素繊維布中にアーク噴霧するステップをさらに含むことを特徴とす
る請求項43に記載の方法。 - 【請求項46】 前記挿入ステップが、前記多孔性セパレータを挿入するス
テップを含み、前記多孔性セパレータが、最長5分間、最高250℃の温度への
露出に耐えることができることを特徴とする請求項38に記載の方法。 - 【請求項47】 前記多孔性セパレータがテフロン(登録商標)からなるこ
とを特徴とする請求項46に記載の方法。 - 【請求項48】 二重層コンデンサを製造する方法であって、 第1の集電体箔を第1の端子の内部部分に結合するステップと、 第1の金属含浸電極を集電体箔上に折り重ねるステップと、 多孔性セパレータを第1の金属含浸電極に対して配置するステップと、 第2の金属含浸電極を多孔性セパレータに対して並置するステップと、 第2の金属含浸電極をケースに電気結合するステップと、 第1の金属含浸電極および第2の金属含浸電極を電解液に浸すステップと、 電解液をケース内に実質的に閉じ込め、かつ、電解液中への不純物の流入を実
質的に低減させる、ケースをハーメチックシールするステップと を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項49】 前記多孔性セパレータを配置するステップが、前記第1の
金属含浸電極を前記多孔性セパレータで覆うステップを含むことを特徴とする請
求項48に記載の方法。 - 【請求項50】 前記並置ステップが、前記第2の金属含浸電極を前記多孔
性セパレータ上に並置するステップを含むことを特徴とする請求項49に記載の
方法。 - 【請求項51】 前記電気結合ステップが、 第2の集電体箔を第2の金属含浸電極上に並置するステップと、 第2の集電体箔をケースに接触させるステップと を含むことを特徴とする請求項50に記載の方法。
- 【請求項52】 前記第1の金属含浸電極および前記第2の金属含浸電極に
金属を含浸させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項48に記載の方
法。 - 【請求項53】 前記含浸ステップが、第1の炭素繊維布および第2の炭素
繊維布に前記金属を含浸させるステップをさらに含み、前記金属が、第1の炭素
繊維布および第2の炭素繊維布のトウ中に浸透することを特徴とする請求項52
に記載の方法。 - 【請求項54】 前記金属が、アルミニウム、チタン、および銅からなるグ
ループから選択されることを特徴とする請求項52に記載の方法。 - 【請求項55】 前記ハーメチックシールステップが、 前記第1の端子の他の部分と前記ケースの間にガラス−金属間シールを形成す
るステップを含むことを特徴とする請求項48に記載の方法。 - 【請求項56】 前記ハーメチックシールステップが、 ヘッダを缶に溶接するステップをさらに含み、ヘッダがガラス−金属間シール
を備えることを特徴とする請求項55に記載の方法。 - 【請求項57】 ガラスの熱膨張係数と実質的に類似の熱膨張係数を有する
材料を、前記第1の端子用として選択するステップをさらに含むことを特徴とす
る請求項55に記載の方法。 - 【請求項58】 前記選択ステップが、モリブデンを選択するステップを含
むことを特徴とする請求項57に記載の方法。 - 【請求項59】 前記選択ステップが、白金めっきモリブデンを選択するス
テップを含むことを特徴とする請求項57に記載の方法。 - 【請求項60】 前記選択ステップが、はんだ付け可能なめっき材料を、前
記第1の端子用として選択するステップを含むことを特徴とする請求項57に記
載の方法。 - 【請求項61】 最長5分間、最高250℃の温度への露出に耐えることが
できる材料を、前記多孔性セパレータ用として選択するステップをさらに含むこ
とを特徴とする請求項48に記載の方法。 - 【請求項62】 前記多孔性セパレータのための前記材料を選択するステッ
プが、テフロン(登録商標)からなる前記材料を選択するステップを含むことを
特徴とする請求項61に記載の方法。 - 【請求項63】 前記二重層コンデンサを製造するための、最長5分間、最
高250℃の温度への露出に耐えることができる材料を選択するステップをさら
に含むことを特徴とする請求項48に記載の方法。 - 【請求項64】 前記第1および第2の金属含浸電極、前記第1および第2
の集電体箔、および前記多孔性セパレータに、適度の一定圧力を印加するステッ
プをさらに含むことを特徴とする請求項48に記載の方法。 - 【請求項65】 前記適度の一定圧力を印加する前記ステップが、前記ケー
ス中にクリンプを形成するステップを含むことを特徴とする請求項64に記載の
方法。
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