JP2004047522A

JP2004047522A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2004047522A
Application number: JP2002199465A
Authority: JP
Inventors: Ron Horikoshi; 堀越　論
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】低接触抵抗の実現及び維持を可能としたキャパシタを提供する。
【解決手段】粘度を０．０９５〜０．１０５Ｐａ・ｓに調整したセルロース系の導電性塗料をメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを用いてスクリーン印刷により集電極板１２（及びアルミ箔基材１６）に塗布し、厚さ５〜６μｍの塗膜厚を得ることにより、導電性塗料１７の電解液に対する耐薬品性を向上させると共に、活性炭電極１３と集電極板１２（及びアルミ箔基材１６）との接触抵抗を低減させる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分極性電極と集電板との接触抵抗を低減した電気二重層キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタ（以下、「キャパシタ」という）は、活性炭等の分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するコンデンサであり、ファラッドオーダーの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。
【０００３】
キャパシタの構造としては、円筒形ケース内に分極性電極とセパレーターを渦巻き状に巻いて収納する捲回型と、平板状の分極性電極とセパレーターとを積層して形成する積層型とがある。
【０００４】
特に、積層型のキャパシタは、一枚のセパレーターと当該セパレーターを挟む二枚の分極性電極およびこれをさらに両側から挟み込む集電板とからなるセルを積層することにより、バイポーラ構造とすることができるため、高電圧用途に適している。
【０００５】
すなわち、前記セル一つ当たりの耐電圧は分極性電極に含浸された電解液の電気分解電圧で決まり、有機系電解液の場合約２．５Ｖと動作電圧に対しては不足であるが、前記セルを複数積層させて直列接続することによって、（１セル当たりの耐電圧）×（セルの積層数）に相当する耐電圧となり、高電圧を要求される用途に用いることができる。
【０００６】
実用レベルとしては、有機系電解液を使用した積層型のキャパシタにおいて、４０〜５０セルを積層した出力電圧１００Ｖのキャパシタユニット等が開発されている。
【０００７】
また、積層型のキャパシタは、一般的な捲回型のキャパシタと比較して、ケーブル等を必要とせず、耐電圧の高いキャパシタユニットをコンパクトに設計できるため設置体積を小さくすることができる。
【０００８】
これらのキャパシタの用途としては、メモリバックアップ用等の小容量タイプから、電気自動車のパワーアシスト用等の中容量タイプ及び電力貯蔵用蓄電池の代替等の大容量タイプまで幅広く検討されているが、いずれのタイプにおいても長寿命化または重量や容量を大きくせずに従来よりも大容量とすることなどが求められている。
【０００９】
図３は、従来の積層型キャパシタユニットの一例の基本構成図である。
【００１０】
同図に示すように積層型キャパシタユニット１０は、エンドプレート１１と、水ガラス系の導電性塗料１７を片面にのみ塗布した集電極板１２と、分極性電極である活性炭電極１３と、セパレーター１５と、パッキン１４と、前記導電性塗料１７を両面（図には片面のみ図示）に塗布したアルミ箔基材１６とにより構成されている。
【００１１】
ここで、パッキン１４は、集電極板１２とアルミ箔基材１６とを絶縁し、集電極板１２とアルミ箔基材１６との間にセパレーター１５とセパレーター１５を介して対向する一対の活性炭電極１３とを挟み込み、密封する機能を有している。このため、パッキン１４は枠状の形状を有している。
【００１２】
また、アルミ箔基材１６は集電極板１２と共に集電板としての役割をする。また、セパレーター１５とセパレーター１５を介して対向する一対の活性炭電極１３と、これを更に両側から挟む前記集電板（集電極板１２又はアルミ箔基材１６）とからなるユニットをセルと呼ぶ。当該セルは、所望の耐電圧に合わせて１つ又は複数個積層される。同図には２つのセルが積層されたキャパシタを示している。
【００１３】
図４は、図３に示すように積層された各部材を締め付けボルト１８で締め付けてできたキャパシタの断面図である。同図には３つのセルからなるタイプのキャパシタを示した。なお、同図では導電性塗料１７を省略してある。
【００１４】
各セルにはプロピレンカーボネートを主成分とした電解液が封入されている。ここで、パッキン１４は図に示すように各セルを密封し、前記電解液の漏洩を防止するとともに、外部から水分が進入しないようにしている。
【００１５】
図示してしない導電性塗料１７は、活性炭電極１３と集電極板１２との間および活性炭電極１３とアルミ箔基材１６との間に存在し、活性炭電極上に発生した電気エネルギーを集電極板１２及びアルミ箔基材１６に集電する際の効率を向上させる役割をする。すなわち、導電性塗料１７を集電極板１２及びアルミ箔基材１６に塗布することで、活性炭電極１３と集電極板１２及びアルミ箔基材１６との間の接触抵抗を大幅に低減することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャパシタに長時間の電圧印加を行うと、電解液に含まれる微量な水分等の分解によりフッ酸が発生し、このフッ酸の影響で次第に導電性塗料１７が溶解する。
【００１７】
この結果、アルミ箔基材１６の表面から導電性塗料１７が脱落し接触抵抗の上昇を引き起こす。特に高温、高電圧印加の条件下では、水分等の分解反応が促進され接触抵抗の上昇が大きくなる。
【００１８】
この微量な水分については、あらかじめ電解液に水分が含まれないように制御しても、キャパシタを作製した後にもパッキン１４の間から徐々に進入してくるので完全に取り除くことは難しい。
【００１９】
また、集電板に導電性塗料１７を塗布する際には、膜厚の均一性が要求される。しかしながら、従来の塗布方法では均一な膜厚を得ることは難しく、このため各セルごとに導電性塗料の膜厚が異なり、各セルごとの接触抵抗のバラツキが生じていた。
【００２０】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、分極性電極と集電板との接触抵抗を各セルについて均一にすると共に低減させ、また低い接触抵抗を維持することができるようにしたキャパシタを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明に係る電気二重層キャパシタは、セパレーターと当該セパレーターを介して対向する二つの分極性電極と当該二つの分極性電極を更に両側から挟み込む二つの集電板からなるセルを有し、前記集電板の前記分極性電極との接触面に導電性塗料を塗布した電気二重層キャパシタであって、前記導電性塗料の塗布後の乾燥塗膜の厚さを前記分極性電極と前記集電板との接触抵抗が最小となるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
分極性電極と集電板との接触抵抗が導電性塗料の塗布後の乾燥塗膜の厚さに依存することに鑑みて、前記接触抵抗を最小とする塗膜厚とすることにより、分極性電極と集電板との間における集電効率を向上させる。
【００２３】
上記課題を解決する第２の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、前記乾燥塗膜の厚さを４〜８μｍとしたことを特徴とする。
【００２４】
分極性電極と集電板との間における接触抵抗を低減させ、集電効率を向上させる。
【００２５】
上記課題を解決する第３の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、前記乾燥塗膜の厚さを５〜６μｍとしたことを特徴とする。
【００２６】
分極性電極と集電板との間における接触抵抗をより低減させ、集電効率を更に向上させる。
【００２７】
上記課題を解決する第４の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１ないし第３の発明のいずれかに係る電気二重層キャパシタにおいて、前記導電性塗料をセルロース系の導電性塗料としたことを特徴とする。
【００２８】
長時間の電圧印加に伴う電解液中のフッ酸の発生に対し、薬品耐性の強いセルロース系の導電性塗料とすることで、導電性塗料の劣化を抑制する。また、導電性塗料の劣化による接触抵抗の上昇を抑制する。
【００２９】
上記課題を解決する第５の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１ないし第４の発明のいずれかに係る電気二重層キャパシタにおいて、粘度が０．０９〜０．１１Ｐａ・ｓの前記導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により前記導電性塗料の塗布を行うことを特徴とする。
【００３０】
スクリーン印刷による導電性塗料の塗布条件を最適化することにより、最適な塗料膜を得る。これにより、分極性電極と集電板との間における接触抵抗を低減させ、集電効率を向上させる。
【００３１】
上記課題を解決する第６の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１ないし第４の発明のいずれかに係る電気二重層キャパシタにおいて、粘度が０．０９５〜０．１０５Ｐａ・ｓの前記導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により前記導電性塗料の塗布を行うことを特徴とする。
【００３２】
スクリーン印刷による導電性塗料の塗布条件を更に最適化することにより、更に最適な塗料膜を得る。これにより、分極性電極と集電板との間における接触抵抗を低減させ、集電効率を向上させる。
【００３３】
上記課題を解決する第７の発明に係る電気二重層キャパシタは、第１ないし第６の発明のいずれかに係る電気二重層キャパシタにおいて、積層型の電気二重層キャパシタとしたことを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
【００３５】
本発明は、キャパシタの作製の際に使用される導電性塗料について鋭意検討した結果得られたものである。
【００３６】
［実施例１］
【００３７】
まず、分極性電極及び集電板の接触抵抗と導電性塗料の塗膜厚との関係について検討した。以下、導電性塗料を塗布した直後（ウエット状態）の厚さを「塗布厚」という一方、塗布後乾燥した状態の厚さを「塗膜厚」という。
【００３８】
実験方法を以下に説明する。実験に使用したキャパシタの構成は従来と同様であり、図３又は図４に図示した構成によりキャパシタを作製した。分極性電極は活性炭電極１３、集電板は集電極板１２及びアルミ箔基材１６に該当する。導電性塗料１７はスクリーン印刷により集電極板１２及びアルミ箔基材１６に塗布した。作製した各キャパシタ１０において、活性炭電極１３と集電極板１２及びアルミ箔基材１６との間の接触抵抗を測定した。
【００３９】
ここで、導電性塗料１７の塗布については、塗布（印刷）に用いるスクリーンメッシュの種類及び導電性塗料１７の物性を変化させることにより、様々な塗布条件が考えられる。そこで、均一な塗布厚（及び塗膜厚）の実現が可能な塗布条件も併せて検討した。具体的には、スクリーンメッシュの粗さ及び導電性塗料１７の粘度を種々変化させて、導電性塗料１７の塗膜厚が異なるキャパシタ１０を作製した。
【００４０】
図１は、上記実験において得られた導電性塗料の塗膜厚と接触抵抗との関係を示したグラフである。同図から分かるように、接触抵抗と導電性塗料１７の塗膜厚とは単純な比例関係ではない。すなわち、塗膜厚が４〜８μｍにおいて接触抵抗が最低となる一方、この範囲から外れる場合には接触抵抗が急激に上昇してしまう。
【００４１】
このことから、塗膜厚が４μｍ未満のときは、活性炭電極１３と集電極板１２（又はアルミ箔基材１６）とを直接接触させた場合に等しく、導電性塗料１７の有効な効果を得ることができないと考えられる。一方、塗膜厚が８μｍより厚いときは、導電性塗料１７自体の抵抗が接触抵抗の値に大きく影響してしまうものと考えられる。
【００４２】
以上より、活性炭電極１３と集電極板１２（又はアルミ箔基材１６）との接触抵抗を導電性塗料１７により低減するためには、塗膜厚が４〜８μｍとなるように導電性塗料１７を塗布し、好ましくは、塗膜厚が５〜６μｍとなるようにする。
【００４３】
また、導電性塗料１７の塗布条件については、♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを用いて、導電性塗料の粘度を０．０９〜０．１１Ｐａ・ｓに調整することで最適な塗布膜を得ることができることが分かった。上記塗布条件によれば、最適な塗布膜、すなわち塗布（印刷）ごとの塗布厚（塗膜厚）にバラツキがなく、かつ所望の塗布厚（塗膜厚）とすることができる。
【００４４】
具体的には、塗布（印刷）直後の塗布厚を約１５〜２０μｍ、乾燥後の塗膜厚としては４〜８μｍを目標としたが、これらの厚さはスクリーンメッシュの粗さと塗料粘度に大きく依存する。例えば、スクリーンメッシュの粗さについては、♯１５０のスクリーンメッシュよりも粗いメッシュを使用すると、導電性塗料をメッシュに保持することができなく、厚み精度が悪くなる。一方、♯２００のスクリーンメッシュよりも細かいメッシュを使用すると、導電性塗料に含まれるカーボンが目詰まりを起こし、同様に塗布精度の低下を引き起こす。
【００４５】
以上から、最適な塗布膜を得るためには、♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用し、導電性塗料の粘度を０．０９〜０．１１Ｐａ・ｓ、好ましくは０．０９５〜０．１０５Ｐａ・ｓに調整することが条件である。
【００４６】
［実施例２］
【００４７】
次に、導電性塗料の材質との関係における接触抵抗の経時変化について検討した。
【００４８】
実験方法を以下に説明する。実験に使用したキャパシタの構成は従来と同様であり、図３又は図４に図示した構成によりキャパシタを作製した。分極性電極は活性炭電極１３、集電板は集電極板１２及びアルミ箔基材１６に該当する。導電性塗料１７については、実施例２としてセルロース系の導電性塗料、比較例として水ガラス系の導電性塗料とし、スクリーン印刷により集電極板１２（又はアルミ箔基材１６）に塗布した。作製した各キャパシタ１０に６０℃において２．５Ｖ及び２．７Ｖの電圧を印加した。これと同時に活性炭電極１３と集電極板１２（又はアルミ箔基材１６）との間の接触抵抗を測定し、接触抵抗の経時変化を調べた。
【００４９】
図２は、上記実験において得られた、導電性塗料１７の材質が接触抵抗の経時変化に及ぼす影響を示したグラフである。同図には、電圧印加時間が０時間における接触抵抗を基準として、接触抵抗の上昇率を示してある。同図から分かるように、実施例２に係るセルロース系の導電性塗料を使用したキャパシタの方が、比較例に係る水ガラス系の導電性塗料を使用したキャパシタよりも長時間の電圧印加に対して接触抵抗の上昇が抑制されていることが分かる。
【００５０】
例えば、２．５Ｖ（実施例２及び比較例とも「丸」で示す）−５００時間の電圧印加に対しては、実施例２（黒丸）の方が比較例（白丸）よりも約４０％、接触抵抗の上昇が抑制されている。また、２．７Ｖ（実施例２及び比較例とも「四角」で示す）−５００時間の電圧印加に対しては、実施例２（黒四角）の方が比較例（白四角）よりも約１２５％、接触抵抗の上昇が抑制されている。
【００５１】
前述するように、キャパシタ１０に長時間の電圧印加を行うと、電解液に含まれる微量な水分等の分解によりフッ酸が発生し、このフッ酸の影響で次第に導電性塗料１７が溶解する。この結果、集電極板１２（又はアルミ箔基材１６）に塗布した導電性塗料１７が脱落し接触抵抗の上昇を引き起こすと考えられる。
【００５２】
そこで、本実施例では、導電性塗料１７として薬品耐性の優れるセルロース系の導電性塗料を使用した。これにより、長時間の電圧印加により発生したフッ酸の影響を受けることなく、低い接触抵抗を維持することができたと考えられる。
【００５３】
【発明の効果】
第１の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、分極性電極と集電板との接触抵抗が導電性塗料の塗布後の乾燥塗膜の厚さに依存することに鑑みて、前記接触抵抗を最小とする塗膜厚とすることにより、分極性電極と集電板との間における集電効率を向上させることができる。
【００５４】
第２の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、乾燥塗膜の厚さを４〜８μｍとし、また第３の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、乾燥塗膜の厚さを５〜６μｍとしたことにより、分極性電極と集電板との間における接触抵抗を低減させ、集電効率を向上させることができる。
【００５５】
第４の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、導電性塗料をセルロース系の導電性塗料、すなわち、長時間の電圧印加に伴う電解液中のフッ酸の発生に対し、薬品耐性の強い導電性塗料とすることで、導電性塗料の劣化を抑制することができる。また、導電性塗料の劣化に伴う接触抵抗の上昇を抑制することができる。
【００５６】
第５の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、粘度が０．０９〜０．１１Ｐａ・ｓの導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により導電性塗料の塗布を行うことで、最適な塗料膜を得ることにより、分極性電極と集電板との間における接触抵抗を低減させ、集電効率を向上させることができる。また、塗布精度の向上により、各セル間における接触抵抗のバラツキをなくすことができる。
【００５７】
第６の発明に係る電気二重層キャパシタによれば、粘度が０．０９５〜０．１０５Ｐａ・ｓの導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により導電性塗料の塗布を行うことで、更に最適な塗料膜を得ることにより、更に集電効率を向上させることができる。また、塗布精度の向上により、各セル間における接触抵抗のバラツキをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性塗料の塗膜厚と接触抵抗との関係図である。
【図２】導電性塗料の材質と接触抵抗の経時変化との関係図である。
【図３】積層型キャパシタユニットの積層構成図である。
【図４】積層型キャパシタユニットの構造の断面図である。
【符号の説明】
１０　積層型キャパシタユニット
１１　エンドプレート
１２　集電極板
１３　活性炭電極
１４　パッキン
１５　セパレーター
１６　アルミ箔基材
１７　導電性塗料
１８　締め付けボルト

Claims

セパレーターと当該セパレーターを介して対向する二つの分極性電極と当該二つの分極性電極を更に両側から挟み込む二つの集電板からなるセルを有し、前記集電板の前記分極性電極との接触面に導電性塗料を塗布した電気二重層キャパシタであって、
前記導電性塗料の塗布後の乾燥塗膜の厚さを前記分極性電極と前記集電板との接触抵抗が最小となるようにしたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１に記載の電気二重層キャパシタにおいて、前記乾燥塗膜の厚さは４〜８μｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１に記載の電気二重層キャパシタにおいて、前記乾燥塗膜の厚さは５〜６μｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１ないし３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタにおいて、前記導電性塗料はセルロース系の導電性塗料であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記導電性塗料の塗布は、粘度が０．０９〜０．１１Ｐａ・ｓの前記導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により行われることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記導電性塗料の塗布は、粘度が０．０９５〜０．１０５Ｐａ・ｓの前記導電性塗料及びメッシュ粗さが♯１５０〜♯２００のスクリーンメッシュを使用したスクリーン印刷により行われることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１ないし６のいずれかに記載の電気二重層キャパシタにおいて、積層型の電気二重層キャパシタであることを特徴とする電気二重層キャパシタ。