JP2004153259A - Electric double-layer capacitor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電気二重層キャパシタ及び該電気二重層キャパシタの製造方法に係わり、特に、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低くしかつその容量密度を高くし、並びにその生産性を良好に保つことのできる電気二重層キャパシタ及び該電気二重層キャパシタの製造方法に関する。 The present invention relates to an electric double layer capacitor and a method of manufacturing the electric double layer capacitor, and in particular, can reduce the internal resistance of the electric double layer capacitor and increase its capacitance density, and keep its productivity favorable. The present invention relates to an electric double layer capacitor and a method of manufacturing the electric double layer capacitor.
電気二重層キャパシタは、充放電サイクルによる長期的信頼性や出力密度の点で優れ、ハイブリッド電気自動車用電源や、非常電源用途に用いられつつある。これらの電源用途では、数百Vの高電圧が要求される。
通常、電気二重層キャパシタの単体セルの作動電圧は、比較的低い(〜2.6V程度)ため、これらの単体セルを数十から数百個直列接続した電気二重層モジュールとして使用される。
この単体セルの構造としては、角型セルや円筒型セル等が一般的である。
Electric double layer capacitors are excellent in terms of long-term reliability and power density due to charge / discharge cycles, and are being used for hybrid electric vehicle power supplies and emergency power supply applications. In these power supply applications, a high voltage of several hundred volts is required.
Usually, since the operating voltage of a single cell of an electric double layer capacitor is relatively low (about 2.6 V), it is used as an electric double layer module in which several tens to several hundreds of these single cells are connected in series.
As a structure of this single cell, a square cell, a cylindrical cell, etc. are common.
角型セルの構造を示す斜視図(一部切断)を図7に示す。
図7に示すように、角型セル20Aは、複数の平板状の正極1A及び負極1Bによりセパレータ2を挟んだ状態で、交互に積層して角型素子体3を形成し、これを角型ケース5に収容したものである。
また、正極1A及び負極1Bからは、平板状のリード部7A、7Bがそれぞれ上方に延び、正極と負極とに分けてリード結合部8A、8Bに束ねられている。リード結合部8A、8Bは、角型ケース5に貫通固定された正極の端子9A及び負極の端子9Bと連結固定されている。
A perspective view (partially cut) showing the structure of the square cell is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the
Further,
一方、円筒型セルの構造を示す斜視図(一部切断)を図8に示す。
図8に示すように、円筒型セル20Bは、一対の長尺帯状の正極11A及び負極11Bによりセパレータ12を挟んだ状態で捲き上げて、捲回型素子体13を形成し、これを円筒ケース15に納めて構成されている。
また、正極11A及び負極11Bの上端にはリード17A、17Bが接続され、これらリード17A、17Bは、封口絶縁板16に貫通固定されている正極の端子19A及び負極の端子19Bにそれぞれ接続されている。
On the other hand, FIG. 8 shows a perspective view (partially cut) showing the structure of the cylindrical cell.
As shown in FIG. 8, the cylindrical cell 20B is rolled up in a state where the
このように構成された各単体セル20A、20Bは、例えば複数個直列に接続され、電気二重層モジュールを構成するようになっている。
この電気二重層モジュールの構造の一例を示す斜視図を図9に示す。
図9に示すように、電気二重層モジュール25は、複数個の単体セル20(円筒型セル20Bによる)を一体的に固定するための堅牢なモジュール構造部材21と、単体セル20相互間を直列に電気接続するための多数の接続バスバー部材23とから構成されている。
The
A perspective view showing an example of the structure of the electric double layer module is shown in FIG.
As shown in FIG. 9, the electric
なお、電気二重層モジュール25の別の構造としては、特許文献1に示されているように、正極11A及び負極11Bを構成する電極等に特徴を設けて、単体セル20の円筒ケース15とモジュール構造部材21と接続バスバー部材23とを一体化し、電気二重層モジュール25を軽量かつコンパクト化したものも考えられる。
In addition, as another structure of the electric
ところで、このような大容量・大電流充放電用の電気二重層キャパシタでは、さらなる内部抵抗の低下と単位体積あたりの容量(以下、容量密度という。)の増大が望まれている。
そのため、電極の表面積を大きくし、かつセパレータ2、12の厚みを極力薄くすることが考えられる。
By the way, in such an electric double layer capacitor for large capacity and large current charge / discharge, further reduction in internal resistance and increase in capacity per unit volume (hereinafter referred to as capacity density) are desired.
Therefore, it is conceivable to increase the surface area of the electrode and reduce the thickness of the
しかしながら、この場合、以下のような構成上の問題を生じるおそれがあった。
例えば、セパレータ2、12は、電解液の吸液性と保液性の点から、ある程度空隙率を高くする必要がある。なお、空隙率とは、対象物の体積中にボイド(対象物中に存在する気泡の部分)が占める容積の割合をいう。
そのため、空隙率をある程度高く維持しつつ、セパレータ2、12の厚みを薄くしようとすると、正極11Aと負極11Bとの間の絶縁性が不十分となり、正極11A及び負極11Bがミクロ的にショートし、自己放電しやすくなって、キャパシタの製造歩留まりが低下するおそれがあった。
However, in this case, there is a possibility of causing the following structural problem.
For example, the
For this reason, if the thickness of the
また、セパレータ2、12の厚みを薄くしすぎる(例えば、60μm以下)と、セパレータ2、12の空隙率を高めるのが困難になって、セパレータ2、12内の電解液の量が少なくなり、正極11A及び負極11Bに電解液を供給し難くなるおそれがあった。
そして、放電時に正極11A及び負極11Bへ十分に電解液が供給されないため、十分な量のイオンが正極11A及び負極11Bの近傍に存在しなくなり、瞬間的な大電流放電による電圧降下が大きくなるおそれがあった。
Moreover, if the thickness of the
In addition, since the electrolyte is not sufficiently supplied to the
また、充電時に正極11A及び負極11Bへ十分に電解液が供給されないので、正極11A及び負極11Bにおいてイオンの分極が不十分となり、電圧保持性が低下するおそれがあった。さらに、正極11A及び負極11Bに対する外部の充電印加電圧に必要なだけのイオンの吸着が行われなくなるため、正極11A及び負極11Bでは、吸着以外の電気化学的な分解反応等が起こって、内部抵抗が増大したり、容量密度が低下するおそれがあった。
Further, since the electrolyte is not sufficiently supplied to the
さらに、この問題を解決するために、正極11A及び負極11Bに電解液を十分に供給しようとすれば、その注液に時間を要し、電気二重層キャパシタの生産性に問題を生じるおそれがあった。
電極に電解液を十分に供給する方法としては、電極表面に溝をつけることにより、使用時に想定される電解液のドライアップ分に対応する電解液を電極付近に保持する方法などが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかし、この方法ではドライアップ分の電解液を保持するのが限度であり、例えば、セパレータ2、12の厚みを薄くした場合、セパレータ2、12内に、イオンの分極に十分な量の電解液を保持できなかった。
As a method for sufficiently supplying the electrolyte to the electrode, a method has been proposed in which a groove is formed on the electrode surface so that the electrolyte corresponding to the amount of dry-up of the electrolyte assumed at the time of use is held near the electrode. (For example, refer to Patent Document 2).
However, in this method, the limit is to hold the electrolyte solution for dry-up. For example, when the thickness of the
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低くしかつその容量密度を高くし、並びにその生産性を良好に保つことのできる電気二重層キャパシタ及び該電気二重層キャパシタの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a conventional problem. An electric double layer capacitor capable of reducing the internal resistance of the electric double layer capacitor, increasing its capacitance density, and maintaining good productivity. And it aims at providing the manufacturing method of this electric double layer capacitor.
このため本発明は、電気二重層キャパシタに関し、電解液と、該電解液との界面に電気二重層を形成する、カーボンブラックを含む電極からなる正極及び負極と、該正極と該負極との間に配置されたセパレータとがケースに収容された電気二重層キャパシタであって、前記正極と前記負極の少なくとも一方の電極には突設部又は屈曲部が、前記ケースの底面に対する高さ方向に連続して形成されており、前記少なくとも一方の電極と前記セパレータとの間には前記突設部又は前記屈曲部の高さによる隙間が形成されていることを特徴とする。 Therefore, the present invention relates to an electric double layer capacitor, and includes an electrolyte, a positive electrode and a negative electrode made of an electrode containing carbon black, which forms an electric double layer at the interface between the electrolyte, and the positive electrode and the negative electrode. An electric double layer capacitor accommodated in a case, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode has a protruding portion or a bent portion in a height direction with respect to the bottom surface of the case. A gap is formed between the at least one electrode and the separator by a height of the protruding portion or the bent portion.
電極は、電解液の含浸により、通常含浸前の厚みより膨張する。そのため、電極への電解液の含浸が不十分になり、電気二重層キャパシタの性能が十分に発揮されないおそれがあるが、本発明の電極には、突設部又は屈曲部がケースの底面に対する高さ方向に連続して形成されている。そのため、セパレータと電極との間に突設部又は屈曲部の高さによる隙間が形成され、電極への電解液の含浸経路が確保される。
このことにより、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低くしかつその容量密度を高くし、並びにその生産性を良好に保つことができる。
The electrode normally expands more than the thickness before impregnation due to the impregnation of the electrolytic solution. Therefore, the electrode is not sufficiently impregnated with the electrolytic solution, and the performance of the electric double layer capacitor may not be sufficiently exhibited. It is formed continuously in the vertical direction. Therefore, a gap is formed between the separator and the electrode due to the height of the protruding portion or the bent portion, and an electrolyte impregnation path for the electrode is secured.
As a result, the internal resistance of the electric double layer capacitor can be lowered and the capacity density thereof can be increased, and the productivity can be kept good.
また、本発明は、電気二重層キャパシタに関し、前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して複数、交互に積層され、又は長尺帯状の前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して捲回され、有底筒型の前記ケースに収容されていることを特徴とする。 The present invention also relates to an electric double layer capacitor, wherein a plurality of the positive electrodes and the negative electrodes are alternately stacked via the separator, or the long band-shaped positive electrode and the negative electrode are wound via the separator. And is housed in the bottomed cylindrical case.
このことにより、正極、負極及びセパレータをケースに収容して、大容量の角型又は円筒型電気二重層キャパシタを構成することができる。 Thus, the positive electrode, the negative electrode, and the separator can be accommodated in the case to form a large capacity square or cylindrical electric double layer capacitor.
さらに、本発明は、電気二重層キャパシタに関し、前記突設部又は前記屈曲部は、前記少なくとも一方の電極が片面及び/又は両面に変形したものであり、かつ前記高さ方向と垂直な方向に、所定間隔毎に複数個形成されていることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to an electric double layer capacitor, wherein the projecting portion or the bent portion is obtained by deforming at least one of the electrodes on one side and / or both sides and in a direction perpendicular to the height direction. A plurality of them are formed at predetermined intervals.
このことにより、電解液が電極全体に含浸しやすくなる。なお、さらに好ましくは、電極の表裏に電解液の供給を行うため、突設部又は屈曲部は、電極の両面にかつ交互に、突設/屈曲するように形成されることが望ましい。 This makes it easier for the electrolyte to impregnate the entire electrode. More preferably, in order to supply the electrolyte solution to the front and back of the electrode, it is desirable that the protruding portions or bent portions are formed so as to protrude / bend alternately on both sides of the electrode.
さらに、本発明は、電気二重層キャパシタに関し、前記セパレータは、厚みが10μm以上60μm以下であり、空隙率が40%以上85%以下であり、かつJIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が1μm以下であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to an electric double layer capacitor, wherein the separator has a thickness of 10 μm or more and 60 μm or less, a porosity of 40% or more and 85% or less, and a maximum pore diameter according to a test method defined in JIS K3832. It is 1 μm or less.
セパレータの厚みが10μm未満であると、セパレータの中に保持できる電解液の量が十分でないため、内部抵抗が上昇するおそれがあり、かつその薄さのため電極間の短絡も生じやすくなってしまう。一方、セパレータの厚みが60μmより大きくなると、電極の大容量化の妨げとなるおそれがある。従って、セパレータの厚みは、10μm以上60μm以下であることが好ましい。また、さらに好ましくは、セパレータの厚みは、20μm以上50μm以下であることが望ましい。 If the thickness of the separator is less than 10 μm, the amount of the electrolyte solution that can be held in the separator is not sufficient, so that the internal resistance may be increased, and the short circuit between the electrodes is likely to occur due to its thinness. . On the other hand, when the thickness of the separator is larger than 60 μm, there is a risk that the capacity of the electrode may be hindered. Therefore, the thickness of the separator is preferably 10 μm or more and 60 μm or less. More preferably, the thickness of the separator is 20 μm or more and 50 μm or less.
また、セパレータの空隙率が85%より大きくなると、セパレータ自体が電極の膨張に耐えられず、電極間が短絡するおそれがある。一方、セパレータの空隙率が40%未満になると、セパレータ中の電解液量が少なくなり、内部抵抗が高くなりすぎるおそれがある。従って、セパレータの空隙率は、40%以上85%以下であることが好ましい。
なお、本発明の電気二重層キャパシタでは、電解液の含浸及び/又は後述する少なくとも1回の充電操作により電極が膨張し、セパレータが圧迫されて電極中の電解液が搾り出され、さらに内部抵抗が上昇するおそれがある。そのため、さらに好ましくは、セパレータの空隙率は、50%以上80%未満であることが望ましい。
Further, when the porosity of the separator is larger than 85%, the separator itself cannot withstand the expansion of the electrodes, and there is a possibility that the electrodes are short-circuited. On the other hand, when the porosity of the separator is less than 40%, the amount of the electrolyte in the separator is reduced, and the internal resistance may be too high. Therefore, the porosity of the separator is preferably 40% or more and 85% or less.
In the electric double layer capacitor of the present invention, the electrode is expanded by impregnation with the electrolytic solution and / or at least one charging operation described later, the separator is pressed, and the electrolytic solution in the electrode is squeezed out. May rise. Therefore, more preferably, the porosity of the separator is 50% or more and less than 80%.
さらに、セパレータのJIS K3832に規定される最大孔径が1μmより大きくなると、電極がセパレータを貫通して短絡しやすくなったり、電極中に含まれる金属不純物が析出して微小短絡を起こしたりするおそれがある。従って、最大孔径は、1μm以下であることが好ましい。なお、さらに好ましくは、セパレータのJIS K3832に規定される平均孔径が0.1μm以上0.3μm以下である。 Furthermore, when the maximum pore diameter specified in JIS K3832 of the separator is larger than 1 μm, the electrode may easily penetrate through the separator and short circuit may occur, or metal impurities contained in the electrode may precipitate and cause a micro short circuit. is there. Accordingly, the maximum pore diameter is preferably 1 μm or less. More preferably, the average pore diameter defined in JIS K3832 of the separator is 0.1 μm or more and 0.3 μm or less.
さらに、本発明は、電気二重層キャパシタの製造方法に関し、電解液との界面に電気二重層を形成する、カーボンブラックを含む電極からなる正極及び負極を形成する工程、該正極と該負極の少なくとも一方の電極に突設部又は屈曲部を形成する工程、前記正極と前記負極との間にセパレータを配置して素子を形成する工程、該素子をケースに収容する工程、該素子に電解液を含浸する工程及び少なくとも1回の充電操作をこの順に行い、前記少なくとも一方の電極と前記セパレータとの間に前記突設部又は前記屈曲部の高さによる隙間を形成することを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a method for producing an electric double layer capacitor, the step of forming a positive electrode and a negative electrode composed of an electrode containing carbon black, forming an electric double layer at the interface with the electrolyte, and at least of the positive electrode and the negative electrode A step of forming a projecting portion or a bent portion on one electrode, a step of forming an element by disposing a separator between the positive electrode and the negative electrode, a step of housing the element in a case, an electrolyte solution in the element The impregnation step and at least one charging operation are performed in this order, and a gap is formed between the at least one electrode and the separator by the height of the protruding portion or the bent portion.
このことにより、電極とセパレータとの間に、突設部又は屈曲部の高さによる隙間を形成でき、電極への電解液の含浸経路を確保できるため、内部抵抗が低く、高容量の電気二重層キャパシタを作製できる。 As a result, a gap due to the height of the projecting portion or the bent portion can be formed between the electrode and the separator, and an electrolytic solution impregnation path to the electrode can be secured. A multilayer capacitor can be manufactured.
さらに、本発明は、電気二重層キャパシタの製造方法に関し、金属集電体上に、炭素質材料を主成分とする、厚みが80μm以上400μm以下の電極シートを接着層を介して接着して前記電極を形成し、前記金属集電体、前記電極シート及び前記接着層の厚みの和からなる電極の厚みに対し、該電極の厚みと前記突設部又は前記屈曲部の高さとの和が1.01倍以上1.20倍以下となるように前記突設部又は前記屈曲部を形成し、前記突設部又は前記屈曲部を前記ケースの高さ方向と垂直な方向に20mm以下の間隔で形成することを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a method for producing an electric double layer capacitor, wherein an electrode sheet having a carbonaceous material as a main component and having a thickness of 80 μm or more and 400 μm or less is bonded on a metal current collector through an adhesive layer. An electrode is formed, and the sum of the thickness of the electrode and the height of the protruding portion or the bent portion is 1 with respect to the thickness of the electrode, which is the sum of the thicknesses of the metal current collector, the electrode sheet, and the adhesive layer. The protruding portion or the bent portion is formed so as to be not less than 0.01 times and not more than 1.20 times, and the protruding portion or the bent portion is spaced at a distance of 20 mm or less in a direction perpendicular to the height direction of the case. It is characterized by forming.
電極の大容量化を図るために、電極は炭素質材料を主成分とするものであると好ましい。また、電気伝導性を十分に確保するために、電極シート中にカーボンブラックを含有させる必要がある。
このことにより、電極中に分極に必要な量のイオンを確保することができ、かつ電解液の保持性を向上させることができる。
In order to increase the capacity of the electrode, the electrode is preferably composed mainly of a carbonaceous material. Moreover, in order to ensure sufficient electrical conductivity, it is necessary to contain carbon black in the electrode sheet.
As a result, an amount of ions necessary for polarization can be secured in the electrode, and the retention of the electrolytic solution can be improved.
また、電極シートの厚みが80μm未満であると、突設部又は屈曲部によるセパレータと電極との間の隙間が、電極の厚みに対して広くなりすぎるおそれがある。そのため、電極間の距離が空いてしまい、電気二重層キャパシタの低抵抗化の妨げや、容量密度の低下につながり好ましくない。一方、電極シートの厚みが400μmより大きくなると、自身の膨張により、セパレータとの間に形成された隙間が潰れてしまうおそれがある。そのため、電極への電解液の含浸経路が絶たれてしまい、電極への十分な電解液の供給ができなくなるおそれがあり好ましくない。従って、電極シートの厚みは、80μm以上400μm以下であることが好ましい。 Further, if the thickness of the electrode sheet is less than 80 μm, the gap between the separator and the electrode due to the protruding portion or the bent portion may be too wide with respect to the thickness of the electrode. For this reason, the distance between the electrodes is increased, which is not preferable because the resistance of the electric double layer capacitor is reduced and the capacitance density is lowered. On the other hand, if the thickness of the electrode sheet is larger than 400 μm, the gap formed between the separator and the separator may be crushed due to its expansion. Therefore, the electrolyte solution impregnation path to the electrode is interrupted, and there is a possibility that sufficient supply of the electrolyte solution to the electrode may not be possible. Therefore, the thickness of the electrode sheet is preferably 80 μm or more and 400 μm or less.
さらに、電極の厚みに対し、この電極の厚みと突設部又は屈曲部の高さとの和が1.01倍未満であると、セパレータと電極との間の隙間が十分でないため、電極への電解液の含浸性が低下するおそれがある。一方、1.20倍より大きいと、電極間の距離が長くなってしまうため、内部抵抗が高くなり、また容量密度が低下するおそれがある。従って、電極の厚みに対し、この電極の厚みと突設部又は屈曲部の高さとの和は、1.01倍以上1.20倍以下であることが好ましい。 Furthermore, if the sum of the thickness of the electrode and the height of the protruding portion or the bent portion is less than 1.01 times the thickness of the electrode, the gap between the separator and the electrode is not sufficient, There is a possibility that the impregnation property of the electrolytic solution is lowered. On the other hand, if it is larger than 1.20 times, the distance between the electrodes becomes long, so that the internal resistance becomes high and the capacity density may be lowered. Therefore, it is preferable that the sum of the thickness of the electrode and the height of the projecting portion or the bent portion is 1.01 to 1.20 times the thickness of the electrode.
また、突設部又は屈曲部の間隔が20mmより大きいと、電気二重層キャパシタの作製の際に、セパレータと電極との隙間が潰れて、電極に十分な量の電解液を供給できなくなるおそれがある。従って、突設部又は屈曲部が20mm以下の間隔で形成されていることが好ましい。さらに好ましくは、この間隔は15mm以下が望ましい。
なお、突設部又は屈曲部の間隔が電極の厚み以下であると、突設部又は屈曲部の間に間隔を設ける加工自体が困難になるため、現実的ではない。従って、突設部又は屈曲部は電極の厚みよりも広い間隔で設けることが好ましい。
In addition, if the interval between the projecting portion or the bent portion is larger than 20 mm, the gap between the separator and the electrode may be crushed during the production of the electric double layer capacitor, and a sufficient amount of electrolyte may not be supplied to the electrode. is there. Therefore, it is preferable that the protruding portions or the bent portions are formed at intervals of 20 mm or less. More preferably, this distance is 15 mm or less.
In addition, since the process itself which provides a space | interval between a protrusion part or a bending part will become difficult when the space | interval of a protrusion part or a bending part is below the thickness of an electrode, it is not realistic. Therefore, it is preferable that the protruding portions or the bent portions are provided at intervals wider than the thickness of the electrode.
さらに、本発明は、電気二重層キャパシタの製造方法に関し、前記電解液を含浸する工程及び前記充電操作により、前記電極の厚みが1.1倍以上1.6倍以下に膨張することを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing an electric double layer capacitor, wherein the thickness of the electrode expands from 1.1 times to 1.6 times by the step of impregnating the electrolyte and the charging operation. To do.
電極の厚みの膨張が1.1倍未満であると、電解液の含浸等の後も電極とセパレータとの間に余分な隙間が空いてしまい、低抵抗化の妨げになるおそれがある。一方、この電極の厚みが1.6倍を超えて膨張すると、電気二重層キャパシタの作製の際に、セパレータと電極との隙間が潰れて、電極に十分な量の電解液を供給できなくなるおそれがある。また、セパレータが電極の膨張に耐えられず、電極間が短絡を起こす原因となる。従って、電解液を含浸する工程及び少なくとも1回の充電操作により、電極の厚みが1.1倍以上1.6倍以下に膨張することが好ましい。また、さらに好ましくは、この膨張は、1.15倍以上1.5倍以下であることが望ましい。 When the expansion of the thickness of the electrode is less than 1.1 times, an extra gap is left between the electrode and the separator even after impregnation with the electrolytic solution, which may hinder the reduction in resistance. On the other hand, if the thickness of the electrode exceeds 1.6 times, the gap between the separator and the electrode may be crushed during the production of the electric double layer capacitor, and a sufficient amount of electrolyte may not be supplied to the electrode. There is. Also, the separator cannot withstand the expansion of the electrodes, causing a short circuit between the electrodes. Therefore, it is preferable that the thickness of the electrode expands to 1.1 times or more and 1.6 times or less by the step of impregnating the electrolytic solution and at least one charging operation. More preferably, this expansion is 1.15 times or more and 1.5 times or less.
以上説明したように本発明によれば、電極に突設部又は屈曲部を設け、電極とセパレータとの間に隙間が形成されるようにしたので、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低くしかつその容量密度を高くし、並びにその生産性を良好に保つことができる。 As described above, according to the present invention, the projecting portion or the bent portion is provided in the electrode so that a gap is formed between the electrode and the separator, so that the internal resistance of the electric double layer capacitor is reduced and The capacity density can be increased and the productivity can be kept good.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本発明の実施形態にかかる電気二重層キャパシタを構成する各部材について説明する。なお、以下の説明においては、円筒型セルに用いられる各部材を例にとって説明する。
電極について説明する。電極の断面図を図1に示す。
図1において、電極31は、帯状又は短冊状の金属集電箔33上に、接着層35を介してその両面に電極シート37A、37Bが貼り付けられた構成となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each member which comprises the electric double layer capacitor concerning embodiment of this invention is demonstrated. In the following description, each member used for the cylindrical cell will be described as an example.
The electrode will be described. A cross-sectional view of the electrode is shown in FIG.
In FIG. 1, an
この金属集電箔33は、正極側の電気化学耐食性に優れるものであれば特に限定されないため、アルミニウムやステンレス鋼等の箔、網等が使用されるが、軽量かつ低抵抗であり、薄く圧延したときの強度も十分で電気化学的にも安定であることから、アルミニウムを主体とするものが好適である。
また、金属集電箔33の厚みは、その強度が許容できる範囲で薄くされ、通常20〜100μmの範囲が好ましい。また、電極シート37A、37Bとの接合強度の向上、接合抵抗の低減を目的として、化学的、電気化学的又は機械的な表面的エッチング処理が施されても良い。
The metal
Moreover, the thickness of the metal
さらに、金属集電箔33は、電極シート37A、37Bが貼り付けられていない図示しない端部帯状部を有しており、この端部帯状部は、外部との電気接合を取るためのものである。従って、セル容量を高めるためには、なるべく端部帯状部が狭い方が好ましく、2〜6mm程度が望ましい。
Further, the metal
電極シート37A、37Bは、炭素質材料を主成分として、その中にカーボンブラックが含有されている。そして、電気二重層キャパシタは、電極と電解液との界面に形成される電気二重層に電荷を蓄積することを原理としている。
従って、電気二重層キャパシタの容量を大きくするためには、炭素質材料の比表面積は大きいことが好ましく、比表面積100〜2500m2/gの炭素質材料を主成分とすることが好ましい。炭素質材料としては、例えば活性炭、カーボンブラック、ポリアセン、カーボンエアロゲル等である。
The
Therefore, in order to increase the capacity of the electric double layer capacitor, it is preferable that the specific surface area of the carbonaceous material is large, and it is preferable that the main component is a carbonaceous material having a specific surface area of 100 to 2500 m 2 / g. Examples of the carbonaceous material include activated carbon, carbon black, polyacene, and carbon aerogel.
また、カーボンブラックとしては、特にケッチェンブラック等、吸油量が大きく、導電性が高いものが好ましく用いられる。電極シート37A、37B中のカーボンブラックの含有量は、炭素質材料、バインダとの合量中、5〜30質量%とすると好ましい。カーボンブラックの含有量が5質量%未満であると、電解液を十分に保持できず、分極に必要な量のイオンを供給できなくなるおそれがある。一方、カーボンブラックの含有量が30質量%を超えると、電解液の含浸により電極が膨張しすぎるおそれがあり、それぞれ好ましくない。
As carbon black, those having a large oil absorption and high conductivity, such as ketjen black, are preferably used. The carbon black content in the
接着層35は、金属集電箔33に電極シート37A、37Bを貼り付けるために用いられるものである。そのため、十分な接着性と高い導電性とが要求されている。また、接着層35は、電極31から水分を除去する際の乾燥にも十分耐えられる耐熱性を必要とするとともに、本発明で使用される電解液に対して安定であり、かつ電気二重層キャパシタが使用される電圧範囲において電気化学的に安定であることが要求されている。
The
従って、ポリアミドイミド樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド樹脂等をバインダとし、導電材として黒鉛やカーボンブラックを分散した導電性接着剤が好適に使用される。なお、本発明の電極31は、金属集電箔33上に炭素質材料を主成分とする電極材料を塗工することによっても作製できるが、加工の容易性の点から、金属集電箔33に電極シート37A、37Bを接着層35を介して、接着する上記方法がより好ましい。
Therefore, a conductive adhesive in which polyamideimide resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyimide resin or the like is used as a binder and graphite or carbon black is dispersed as a conductive material is preferably used. The
次に、電解液について説明する。
電気二重層キャパシタに用いられる電解液には、水系電解液と非水系電解液とがある。ここで、水系電解液を用いた場合の単体セルの耐電圧は約0.8Vであり、非水系電解液を用いた場合の耐電圧は約2.6Vである。電気二重層キャパシタの静電エネルギーは耐電圧の2乗に比例するため、非水系電解液を使用した方が水系電解液を使用するよりも、その静電エネルギーを10倍以上大きくできる。従って、本発明では、エネルギー密度の点から非水系電解液が好適である。
Next, the electrolytic solution will be described.
The electrolyte used for the electric double layer capacitor includes an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte. Here, the withstand voltage of the unit cell when the aqueous electrolyte is used is about 0.8V, and the withstand voltage when the non-aqueous electrolyte is used is about 2.6V. Since the electrostatic energy of the electric double layer capacitor is proportional to the square of the withstand voltage, the electrostatic energy can be increased 10 times or more when the non-aqueous electrolyte is used than when the aqueous electrolyte is used. Therefore, in the present invention, a nonaqueous electrolytic solution is preferable from the viewpoint of energy density.
非水系電解液中に含まれる溶質は、電気伝導性、溶媒に対する溶解度、電気化学的安定性の点で第4級オニウム塩が好ましい。
特に、R1R2R3R4N+又はR1R2R3R4P+(ただし、R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に炭素数1〜6のアルキル基)で表される第4級オニウムカチオン、又は環状第4級窒素化合物である、R1R2C3H3N2 +(ただし、R1、R2はそれぞれ独立に炭素数1〜6のアルキル基)で表されるイミダゾリウムカチオン、又はR1R2C4H8ON+(ただし、R1、R2はそれぞれ独立に炭素数1〜6のアルキル基)で表されるモルホリニウムカチオンと、BF4 -、PF6 -、CF3SO3 -、AsF6 -、N(SO2CF3)2 -、ClO4 -等のアニオンとからなる塩のいずれか1種又は2種以上を混合したものが好ましい。さらに好ましくは、R1、R2、R3、R4のうちの少なくとも1つが異なるアンモニウム塩やR1とR2とが異なるイミダゾリウム塩であることが望ましい。
The solute contained in the non-aqueous electrolyte is preferably a quaternary onium salt in terms of electrical conductivity, solubility in a solvent, and electrochemical stability.
In particular, R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms) R 1 R 2 C 3 H 3 N 2 + (wherein R 1 and R 2 are each independently alkyl having 1 to 6 carbon atoms), which is a quaternary onium cation represented by the formula: Group) or a morpholinium cation represented by R 1 R 2 C 4 H 8 ON + (wherein R 1 and R 2 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms). BF 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , AsF 6 − , N (SO 2 CF 3 ) 2 − , ClO 4 − and the like. What mixed is preferable. More preferably, it is desirable that at least one of R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 is a different ammonium salt or an imidazolium salt in which R 1 and R 2 are different.
また、電気二重層キャパシタの使用温度範囲が、ある程度限定される場合又はその使用温度範囲でイオン導電性を示す場合には、溶媒を含まない塩すなわち溶融塩を使用することができる。例えば、(C2H5)(CH3)C3H3N2N(SO2CF3)2等のイミダゾリウム塩は室温で溶融状態であり、イオン導電性を示すため、これを電解液として構成しても本発明の電気二重層キャパシタとして機能する。 Further, when the use temperature range of the electric double layer capacitor is limited to some extent or when ionic conductivity is exhibited in the use temperature range, a salt that does not contain a solvent, that is, a molten salt can be used. For example, an imidazolium salt such as (C 2 H 5 ) (CH 3 ) C 3 H 3 N 2 N (SO 2 CF 3 ) 2 is in a molten state at room temperature and exhibits ionic conductivity. Even if configured, it functions as the electric double layer capacitor of the present invention.
さらに、有機溶媒を使用して溶質を溶解する場合には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート、スルホラン及びスルホラン誘導体等が好ましい。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、アセトニトリル、スルホラン及びメチルスルホランからなる群から選ばれる1種以上が好ましい。 Furthermore, when dissolving a solute using an organic solvent, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, nitriles such as acetonitrile, chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate, Sulfolane and sulfolane derivatives are preferred. In particular, at least one selected from the group consisting of propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, acetonitrile, sulfolane and methyl sulfolane is preferred.
次に、セパレータについて説明する。
セパレータ12は、後述する正極51Aと負極51Bの間を電気的に絶縁する一方、充放電に伴って起きる正極51A及び負極51Bと電解液中のイオンの移動を円滑化するものである。
そのため、イオン透過性を有するポリエチレン多孔体フィルム、ポリプロピレン多孔体フィルム、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリエステル不織布、セルロース紙、クラフト紙、レーヨン繊維とサイザル麻繊維混抄シート、マニラ麻シート、ポリエステル繊維シート、ガラス繊維シート等を用いる場合が多い。
Next, the separator will be described.
The
Therefore, polyethylene porous film with ion permeability, polypropylene porous film, polyethylene nonwoven fabric, polypropylene nonwoven fabric, polyester nonwoven fabric, cellulose paper, kraft paper, rayon fiber and sisal fiber mixed sheet, Manila hemp sheet, polyester fiber sheet, glass fiber Sheets are often used.
また、正極51A及び負極51Bは電解液を含浸する工程及び少なくとも1回の充電操作により通常膨張するので、セパレータ12は、この膨張による圧力に耐え得る強度を持ち、かつ電解液を良好に保持し、伸ばされた状態でも破断しないような伸縮性を有するものが好ましい。
電解液を含浸する工程及び少なくとも1回の充電操作により、正極51A及び負極51Bの厚みが1.2倍以上に膨張する場合には、特に70〜85%の高い空隙率を持ち、破断時の伸び率に優れた超高分子量ポリエチレンの多孔体フィルムや無機粒子を充填した超高分子量ポリエチレンの多孔体フィルム、ポリエチレンテレフタレート繊維又はポリブチレンテレフタレートからなるポリエステル不織布や、これらに無機粒子を充填したシート等が特に好ましい。また、正極51A及び負極51Bの厚みが1.1倍以上1.2倍未満に膨張する場合は、薄膜状であってもJIS K3832に規定される最大孔径が1μm以下と緻密性に優れたセルロース紙セパレータを用いると好ましい。特に、溶剤紡糸レーヨンを抄造してなるセルロース紙セパレータを用いると好ましい。
Further, since the
When the thickness of the
次に、加工電極について説明する。加工電極の断面図を図2に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図2において、加工電極41Aは、電極31に対し、従来と同様の長尺帯状の帯部43と、凸部45a及び凹部45bを有する突設部とを有するように変形されている。
凸部45aは、後述する捲回型素子体53において、セパレータ12と帯部43との間に所定の隙間Dを設けるために形成されたものとなっており、加工電極41Aを構成する金属集電箔33、電極シート37A、37B等が一体となって、隙間Dだけ隆起している。
Next, the machining electrode will be described. A cross-sectional view of the machining electrode is shown in FIG. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In FIG. 2, the processing electrode 41 </ b> A is modified with respect to the
The
一方、凹部45bは、凸部45aの形成の際に加工電極41Aの構成部材が一体となって隆起したために形成されたものであり、この凹部45bの断面の形状が、所定の半楕円(長径が幅B、その短径の半分が深さD)の周に沿うような形状になっている。
On the other hand, the
そして、これらの凸部45a及び凹部45b(以下、両者をまとめて凹凸部45という)の変形は、加工電極41Aの図中紙面手前から奥方向に渡って垂直に連続して全体に行き渡っている。
従って、加工電極41Aの凹凸部45は、例えば、所定の楕円の断面を有する楕円柱状の棒の側面に、電極31を押し付けることで形成できる。
The deformations of the
Therefore, the concavo-
さらに、凹凸部45は、図中上方/下方に向けて、互い違いに凸部45a/凹部45bを有するようになっており、その凸部45aと凹部45bとの間は、間隔Aを隔てている。なお、間隔Aとは隣接する2つの突設部間の距離を指し、凸部45aの最も隆起した部分から、この隣の凹部45bの最も窪んだ部分までの図中左右方向の距離に相当する。このことにより、加工電極41Aの裏表にセパレータ12との隙間Dが形成され、電解液が加工電極41Aに含浸されやすくなっている。
Furthermore, the concavo-
なお、凹部45bの断面の形状は、上述した所定の半楕円の周に沿った形状である場合に限られず、角型の辺に沿った形状であっても良い。また、ケースの底面に対する高さ方向に連続していれば、上述した紙面に垂直な形状に限られず、例えば斜線状の形状であっても良い。
この加工電極の断面図(別例)を図3に示す。なお、図2と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
The shape of the cross section of the
A sectional view (another example) of this processed electrode is shown in FIG. 2 that are the same as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図3において、加工電極41Bの凹部47bの断面の形状は、所定の二等辺三角形(底辺が幅B、高さがD)の底辺以外の二辺に沿うような形状を有している。さらに、加工電極41Bは、加工電極41Aの帯部43に対応する部分を備えず、凹凸部47のみで構成されている。
従って、加工電極41Bは、表現の仕方を変えれば、電極31に対して、(単に)所定の屈曲部を有するように変形したものである、とも言える。そのため、加工電極41Bは、例えば、所定の二等辺三角形を有する角型の硬い板に、電極31を押し付けることで形成できる。
In FIG. 3, the cross-sectional shape of the
Therefore, it can be said that the processing electrode 41B is a modification of the
このことにより、加工電極41Bも、その裏表に対して、セパレータ12との間で、平均的に隙間Dを形成することができる。
なお、以下においては、加工電極41Aと加工電極41Bとを共通して加工電極41という。
As a result, the processing electrode 41B can also form an average gap D with the
In the following, the
次に、捲回型素子体について説明する。捲回型素子体の断面図を図4、図5に示す。なお、図2、図3、図8と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
ここに、図4に示す捲回型素子体の断面図は、図2に示す加工電極41Aに対応するものであり、図5に示す捲回型素子体の断面図は、図3に示す加工電極41Bに対応するものである。
図4、図5において、捲回型素子体53は、従来の長尺帯状の正極11A及び負極11Bを用いた捲回型素子体13と異なり、加工電極41を用いた正極51A及び負極51Bにより構成されている。なお、加工電極41は、正極51A及び負極51Bのいずれか一方だけに用いられても良いが、正極51A及び負極51Bの両方に用いると、電解液を良好に保持できるため好ましい。
そして、捲回型素子体53は、正極51A及び負極51Bをセパレータ12で挟み、これを図示しない捲き芯により捲き上げて形成されている。
Next, the wound element body will be described. Cross-sectional views of the wound element body are shown in FIGS. The same elements as those in FIGS. 2, 3, and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
Here, the sectional view of the wound element body shown in FIG. 4 corresponds to the
4 and 5, the
The
このとき、正極51A及び負極51Bを構成する加工電極41は、凹凸部45、47の変形が行き渡る方向である「図中紙面手前から奥方向」が、捲回型素子体53の捲回の軸方向(ケースの底面に対する高さ方向)であるように、凸部45a/凹部45b、凸部47a/凹部47bの向きである「図中上方/下方」が、捲回の径方向(ケースの底面と平行な方向)となるように、また、凹凸部45、47の間隔Aの方向である「図中左右方向」が、捲回の回転方向(ケースの底面に対する高さ方向と垂直な方向)となるように配置され、捲き上げられている。
従って、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間には、捲回型素子体53の捲回の軸方向に向け連続して全体に渡り、隙間Dが形成されている。このことにより、捲回の軸方向全体に渡って電解液の含浸経路が確保される。
At this time, the processing electrode 41 constituting the positive electrode 51 </ b> A and the negative electrode 51 </ b> B has a winding axis of the
Accordingly, a gap D is formed between the positive electrode 51 </ b> A and the negative electrode 51 </ b> B and the
次に、円筒型セルについて説明する。円筒型セルの斜視図を図6に示す。なお、図4、図8と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図6において、図示しないが、円筒型セル60は、捲回型素子体53を納めて構成されている。
この捲回型素子体53は、従来と同様に、円筒ケース15の底面に対する高さ方向が捲回の軸方向になるように収容されている。
Next, a cylindrical cell will be described. A perspective view of the cylindrical cell is shown in FIG. The same elements as those in FIG. 4 and FIG.
Although not shown in FIG. 6, the
The
また、この捲回型素子体53には、正極51A及び負極51Bの金属集電箔33の各端部帯状部に対し、それぞれ外部との電気的接合を果たすためのリード17A、17Bが接合されている。
なお、端部帯状部とリード17A、17Bとの接合方法には、機械的押し付け、導電性接着剤等のよる導電接着があるが、機械的、電気的に信頼性の高い溶接接合が好ましい。この溶接法には、超音波溶接、YAG等のレーザー溶接、電子ビーム溶接法が好適に用いられる。
Further, leads 17A and 17B for electrical connection with the outside are bonded to the
The joining method of the end strips and the
リード17A、17Bは、電気伝導性が高く、電気化学的耐食性が高ければ、特に材質は限定されないが、アルミニウムやアルミニウム合金などが好ましい。また、その形状は、特に限定されるものではないが、捲回型素子体53の端面にて電解液の含浸を阻害しないようにする必要がある。
The leads 17A and 17B are not particularly limited in material as long as they have high electrical conductivity and high electrochemical corrosion resistance, but aluminum and aluminum alloys are preferable. Further, the shape is not particularly limited, but it is necessary to prevent impregnation of the electrolytic solution at the end face of the
さらに、リード17A、17Bには、正極の端子19A及び負極の端子19Bがそれぞれ接続されている。この正極の端子19A及び負極の端子19Bは、注液孔61を有する封口絶縁板66に貫通固定されており、この封口絶縁板66に、絶縁性樹脂を介して、気密に取り付けられている。
Further, a
かかる構成において、電気二重層キャパシタの低抵抗化と高密度化を図るため、前述のように、セパレータ12の厚みを極力薄くすることが考えられるが、これだけでは、加工電極41への電解液の供給が不十分になるおそれがあった。
かかる電解液の十分な供給のために、セパレータ12中に電解液を存在させるだけでなく、加工電極41の炭素質材料中の細孔内に十分な量の電解液を含浸させることが効果的であることが分かっている。
In such a configuration, in order to reduce the resistance and the density of the electric double layer capacitor, it is conceivable to reduce the thickness of the
In order to sufficiently supply the electrolytic solution, it is effective not only to cause the electrolytic solution to exist in the
しかしながら、加工電極41は通常、電解液の含浸により、その厚みが初期の厚みより膨張する。これは、本発明の実施形態である加工電極41が電気二重層キャパシタの大容量化を図るために、特に、電極シート37A、37Bの充填量を高めたり、あるいは、加工電極41中にカーボンブラックを添加することにより生じやすくなるものである。また、特にケッチェンブラック等の単位体積あたりの電解液保持量の多いカーボンブラックを用いると、かかる膨張を生じやすくなる。
この際には、加工電極41自身の膨張により、電解液が捲回型素子体53の内部まで行き渡り難くなって、加工電極41自体に電解液を供給し難くなりやすい。
However, the processed electrode 41 normally expands from the initial thickness due to the impregnation with the electrolytic solution. This is because, in order to increase the capacity of the electric double layer capacitor, the processing electrode 41 according to the embodiment of the present invention increases the filling amount of the
At this time, due to the expansion of the processing electrode 41 itself, the electrolyte does not easily reach the inside of the
さらに、電極シート37A、37Bに用いる炭素質材料の種類にもよるが、通常少なくとも1回の充電操作によっても、加工電極41の厚みが膨張する。これは、加工電極41への電圧印加がドライビングフォースとなり、加工電極41の炭素質材料細孔中への電解液の吸着が促進されるためである。また、特に炭素質素材として、易黒鉛性のアルカリ賦活活性炭等を用いると、この膨張が生じやすい。
この場合も、電解液が捲回型素子体53の内部まで供給され難くなって加工電極41への含浸が不十分となり、電気二重層キャパシタの性能が十分に発揮されない場合がある。
Furthermore, although depending on the type of carbonaceous material used for the
Also in this case, the electrolytic solution is difficult to be supplied to the inside of the
しかしながら、本発明の電気二重層キャパシタでは、セパレータ12と正極51A及び負極51Bとの間に所定の隙間Dが形成され、正極51A及び負極51B中へ電解液の含浸経路が確保されている。そのため、電解液注入時及びその後の充電操作時に正極51A及び負極51Bの膨張が生じても、電解液が捲回型素子体53全体に行き渡るようになる。
However, in the electric double layer capacitor of the present invention, a predetermined gap D is formed between the
従って、放電時であれば、電解液が正極51A及び負極51Bの近傍に十分存在するため、瞬間的な大電流放電が発生した場合でも電圧降下を最小限にすることができる。また、充電時であっても、電解液が正極51A及び負極51Bに十分に供給されるため、イオンの分極も十分行われ、電圧保持性を向上させることができる。
さらに、電解液の注液に時間がかからず、電気二重層キャパシタの生産性が良好となる。
Therefore, during discharging, the electrolyte is sufficiently present in the vicinity of the
Furthermore, it does not take time to inject the electrolytic solution, and the productivity of the electric double layer capacitor is improved.
なお、正極51A及び負極51Bの厚みやその膨張の程度等、加工電極41の凹凸部45、47の間隔Aや深さD等、セパレータ12の厚み、空隙率もしくは最大孔径(定義は後述する)等については、以下の点に注意して、その大きさを決めると良い。
In addition, the thickness of the
まず、正極51A及び負極51Bの厚みについて考慮する。
正極51A及び負極51Bの厚みが薄すぎると、正極51A及び負極51Bが膨張した後でも、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間に余分な隙間が空いてしまうおそれがある。このため、正極51Aと負極51Bとの距離が広がって、低抵抗化の妨げとなり、また、容量密度の低下にもつながってしまう。
First, the thickness of the
If the thickness of the
また、正極51A及び負極51Bの厚みが厚すぎると、自身の膨張が起こった際に、セパレータ12と正極51A及び負極51Bとの間に形成された隙間Dが潰れてしまうおそれがある。このため、注液の途中等に、正極51A及び負極51Bへの電解液の含浸経路が絶たれ、十分な電解液供給ができなくなってしまう。
従って、正極51A及び負極51Bが膨張した際に、セパレータ12との間に適度な隙間が空くように、正極51A及び負極51Bの厚みを決めると良く、特に電極シート37A、37Bの厚みを80μm以上400μm以下とすると好ましい。
If the
Therefore, when the
次に、正極51A及び負極51Bの膨張の程度について考慮する。
正極51A及び負極51Bの膨張の程度が小さいと、正極51A及び負極51Bの厚みや加工電極41の凹凸部45、47の深さDとの関係で、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間に余分な隙間が空いてしまうおそれがある。
Next, the degree of expansion of the
If the degree of expansion of the
一方、正極51A及び負極51Bの膨張の程度が大きいと、セパレータ12と正極51A及び負極51Bとの間に形成された隙間Dが潰れてしまうおそれがある。また、セパレータ12が正極51A及び負極51Bの膨張に耐えられず、正極51A及び負極51Bがセパレータ12を突き破って、短絡を起こすおそれがある。そのため、電解液を含浸する工程及び少なくとも1回の充電操作により、正極51A及び負極51Bの厚みが1.1倍以上1.6倍以下に膨張することが好ましい。
On the other hand, when the degree of expansion of the
次に、加工電極41の凹凸部45、47の間隔A、幅Bについて考慮する。
凹凸部45、47の間隔Aが広すぎると、加工電極41を捲回型素子体53として捲き上げた際に、隙間Dが潰れてしまい、正極51A及び負極51Bに十分な量の電解液を供給できなくなるおそれがある。
Next, the interval A and the width B of the
If the gap A between the concavo-
また、凹凸部45、47の間隔Aとして、正極51A及び負極51Bの厚み以下の長さにすることは、加工自体が困難になるため、現実的ではない。従って、捲回型素子体53の作製の際に、加工容易な範囲で、かつ隙間Dが潰れないように、凹凸部45、47の間隔Aを決めれば良い。特に、間隔Aは正極51A及び負極51Bの厚み以上20mm以下とすると好ましい。
In addition, it is not realistic to set the distance A between the concave and
さらに、凹凸部45、47の幅Bは、正極51A及び負極51Bの厚みと同等以上2倍以下が好ましいが、この範囲を超えていても効果に問題はない。なお、凹凸部45については、凹部45bを備えずに、凸部45aのみで構成されても良い。
Furthermore, the width B of the concavo-
次に、凹凸部45、47の深さDについて考慮する。
凹凸部45、47の深さDは、電解液含浸や充電操作により、電極31が膨張する前の電極のもと厚みに対する見かけ厚みの比で算出できる。なお、電極のもと厚みに対する見かけ厚みの比とは、電極31に凹凸部45、47を形成する前の積み重ね厚みに対する、実際に凹凸部45、47を形成した後の加工電極41の積み重ね厚みの比をいう。
Next, the depth D of the
The depth D of the concavo-
この電極のもと厚みに対する見かけ厚みの比が小さすぎる(すなわち、比が1に近すぎる)と、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間にできる隙間Dが十分でないため、正極51A及び負極51Bへの電解液の含浸性を改善する効果が得られないおそれがある。また、この比が大きすぎると、正極51A及び負極51Bには十分な量の電解液が供給されるが、電解液の含浸や充電操作の後もセパレータ12との隙間Dが大きくなって、内部抵抗が高くなり、容量密度が低くなるおそれがある。そのため、この比を1.01倍以上1.20倍以下とすると好ましい。
If the ratio of the apparent thickness to the base thickness of the electrode is too small (that is, the ratio is too close to 1), the gap D formed between the
次に、セパレータ12の厚みや空隙率について考慮する。
前述のように、セパレータ12の厚みが薄すぎると、セパレータ12の中に保持できる電解液の量が十分でないため、内部抵抗が上昇するおそれがある。また、セパレータ12が薄くなりすぎると、正極51A及び負極51Bとの間の短絡も生じやすくなってしまう。
また、セパレータ12の厚みが厚すぎると、正極51A及び負極51Bの大容量化の妨げになるため、電気二重層キャパシタの容量密度向上が困難になる。
Next, the thickness and porosity of the
As described above, when the thickness of the
On the other hand, if the
一方、セパレータ12の空隙率が高すぎると、セパレータ12が、正極51A及び負極51Bの膨張に耐えられず、正極51A及び負極51Bとの間の短絡も生じやすくなってしまう。
また、セパレータ12の空隙率が低すぎると、セパレータ12中に含浸される電解液量が少なくなるため、内部抵抗が高くなってしまう。さらに、正極51A及び負極51Bの膨張によりセパレータ12が圧迫されて、セパレータ12内の電解液が搾り出され、さらに内部抵抗が上昇するおそれがある。
従って、内部抵抗の上昇を防ぎ、正極51A及び負極51Bの間の短絡を防止できるようセパレータ12の厚み、空隙率を設定すると良い。特に、セパレータ12の厚みを10μm以上60μm以下、空隙率を40%以上85%以下とすると好ましい。
On the other hand, when the porosity of the
On the other hand, when the porosity of the
Therefore, it is preferable to set the thickness and porosity of the
さらに、セパレータ12の最大孔径について考慮する。ここで、最大孔径とは、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径のことをいう。
セパレータ12の最大孔径が大きくなりすぎると、正極51A及び負極51Bがセパレータ12を貫通して短絡しやすくなったり、正極51A及び負極51B中に含まれる金属不純物が析出して微小短絡を起こしたりするおそれがある。そのため、セパレータ12の最大孔径を1μm以下とすると好ましい。
Furthermore, the maximum hole diameter of the
If the maximum pore diameter of the
以下、本発明の電気二重層キャパシタの具体的な実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples of the electric double layer capacitor of the present invention will be described.
(実施例1)
電極31の作製方法について具体的に説明する。
電極31の作製にあたり、炭素質材料としてフェノール樹脂を原料とする比表面積1800m2/gの水蒸気賦活活性炭粉末を80質量%、導電材としてカーボンブラックを10質量%、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンを10質量%からなる混合物を準備した。そして、この混合物に混練助剤としてプロピレングリコールを添加し、これを混練したものを連続的にロール圧延して、厚み200μmの長尺状のシートを作製した。
その後、この長尺状のシートを300℃で連続的に乾燥して混練助剤を除去した後、さらにロール圧延してスリットし、厚み140μm、幅100mmの電極シート37A、37Bを作製した。
Example 1
A method for manufacturing the
In producing the
Thereafter, the long sheet was continuously dried at 300 ° C. to remove the kneading aid, and further rolled and slit to produce
この電極シート37A、37Bは、接着層35として導電性接着剤を用いて、金属集電箔33の両面に連続的に接合して作製した。金属集電箔33としては、厚み40μmのアルミニウムを用い、電極シート37A、37Bを、この金属集電箔33の幅100mmの部分に接合した。
そして、これらの電極シート37A、37Bや金属集電箔33等は、まとめてロールプレスして一体化し、厚み320μmの長尺帯状の電極31を作製した。
The electrode sheets 37 </ b> A and 37 </ b> B were produced by continuously joining both surfaces of the metal
And these
次に、加工電極41の作製方法について具体的に説明する。
加工電極41の作製にあたり、長尺帯状の電極31に対して、楕円柱状の棒の側面を押し付けることにより、凹凸部45として、凹部45bの幅Bが0.8mm、深さDが0.2mmである溝状の窪みを、間隔Aが約15mmとなるように裏表互い違いに形成した。このことにより、図2に概略示すような加工電極41Aが形成される。
Next, a method for producing the processing electrode 41 will be specifically described.
In manufacturing the processed electrode 41, the width B of the
次に、捲回型素子体53の作成方法について具体的に説明する。
捲回型素子体53の作製にあたり、加工電極41を用いた正極51A及び負極51Bをセパレータ12で挟み、正極51A及び負極51Bの幅から、それぞれ左右4mmずつセパレータ12がはみ出るように幅方向の位置を合わせた。そして、この位置合わせしたものを直径8ミリの捲き芯で捲き取って、直径40mm、長さ108mの捲回型素子体53を作製した。
Next, a method for creating the
In the production of the
ここで、セパレータ12としては、超高分子量ポリエチレンからなる厚み40μm、空隙率80%、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が0.8μmである多孔体フィルムを108mm幅にスリットしたものを用いた。
Here, as the
次に、円筒型セル60の作製方法について説明する。
円筒型セル60の作製にあたり、捲回型素子体53を高さ120mm、径41mm、肉厚0.4mmのアルミニウムの円筒ケース15に収容した。そして、注液孔61を有するアルミニウム製の封口絶縁板66に、正極の端子19A及び負極の端子19Bを絶縁性樹脂を介して、気密に取り付けた。そして、この正極の端子19A及び負極の端子19Bにそれぞれのリード17A、17Bをまとめて超音波溶接した後、封口絶縁板66を円筒ケース15に嵌め込み、レーザー溶接し円筒ケース15を封口した。
Next, a method for manufacturing the
In manufacturing the
その後、封口絶縁板66の注液孔61を開けた状態で、90℃の雰囲気の中、72時間真空乾燥処理した。上記素子内部を30Paまで減圧した後、プロピレンカーボネートに1.5mol/kgの(C2H5)3(CH3)NBF4を溶解した電解液を、注液孔61から大気圧で注入した。そして、30分放置した後、余剰の電解液を取り除き、注液孔61に安全弁を装填して気密に封止した。
以上により、電気二重層キャパシタとして円筒型セル60を作製した。
Thereafter, vacuum drying was performed for 72 hours in an atmosphere at 90 ° C. with the
Thus, a
(実施例2)
実施例1の電極31において、この電極31を所定の二等辺三角形を有する角型の硬い板に押し付けることにより、裏表互い違いに凹凸部47を設け、この間隔Aが10mmとなるように折り曲げて形成した。このことにより、図3に概略示すような加工電極41Bが形成される。他は、実施例1と同様に作製した。
(Example 2)
In the
(実施例3)
実施例1の電極31において、炭素質材料として石油ピッチを原料とする比表面積800m2/gのアルカリ賦活活性炭粉末を用い、また、セパレータ12として、ポリエチレンテレフタレートからなる厚み50μm、空隙率60%、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が0.9μmである不織布を用いて構成した他は、実施例1と同様に作製した。
(Example 3)
In the
(実施例4)
実施例2の電極31において、炭素質材料として石油ピッチを原料とする比表面積800m2/gのアルカリ賦活活性炭粉末を用い、また、セパレータ12として、ポリエチレンテレフタレートからなる厚み50μm、空隙率60%、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が0.9μmである不織布を用いて構成した他は、実施例2と同様に作製した。
Example 4
In the
(実施例5)
実施例1において、セパレータ12として、厚み50μm、空隙率55%、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が0.7μmである、溶剤紡糸レーヨン(商品名リヨセル)を抄造してなるセルロース紙を用いて構成した他は、実施例1と同様に作製した。
(Example 5)
In Example 1, as a
(実施例6)
実施例1の加工電極41において、その凹凸部45を、間隔Aが30mmとなるように形成した他は、実施例1と同様に作製した。
(Example 6)
In the processed electrode 41 of Example 1, the concavo-
(実施例7)
実施例1のセパレータ12として、ポリエチレンテレフタレートからなる厚み60μm、空隙率80%、JIS K3832に規定される試験方法による最大孔径が2.5μmである不織布を用いて構成した他は、実施例1と同様に作製した。
(Example 7)
The
(比較例1)
実施例1の電極31において、凹凸部45を形成しなかった他は、実施例1と同様に作製した。
(Comparative Example 1)
The
(比較例2)
実施例1の電極31において、導電材としてカーボンブラックの代わりに黒鉛粉末を用いて構成した他は、実施例1と同様に作製した。
(Comparative Example 2)
The
以上の実施例1〜7及び比較例1、2において、それぞれ以下のような測定を行った。 In Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2, the following measurements were performed.
(測定1)
電解液を注液する前に、捲回型素子体53の断面を観察し、正極51A−セパレータ12−負極51B−セパレータ12の順に積み重ねられた部分の積み重ね厚みを測定した。
(Measurement 1)
Before injecting the electrolytic solution, the cross-section of the
(測定2)
測定1に加えて、電極のもと厚みに対する見かけ厚みの比を算出した。
(Measurement 2)
In addition to measurement 1, the ratio of the apparent thickness to the base thickness of the electrode was calculated.
(測定3)
次に、円筒型セル60を得た時点での電解液量を測定した。
(Measurement 3)
Next, the amount of the electrolytic solution when the
(測定4)
さらに、測定3に用いたものとは別に作製した円筒型セル60を分解し、初期膨張率を測定した。
なお、初期膨張率とは、電解液の注液前の正極51A及び負極51Bの厚みに対する電解液の注液後の正極51A及び負極51Bの厚みの比率をいう。
(Measurement 4)
Furthermore, the
The initial expansion coefficient refers to the ratio of the thickness of the
(測定5)
次に、測定3、測定4に用いたものとは別に作製した円筒型セル60を用いて、電圧2.6Vにて30分間定電圧充電した後、電流30Aの定電流で電圧1.0Vまで放電した。
このとき、電圧2.6V〜電圧1.0Vまでの放電カーブの勾配から、円筒型セル60全体の容量を求めた。
(Measurement 5)
Next, using a
At this time, the capacity of the entire
(測定6)
また、測定5に加えて、放電初期の電圧低下から、内部抵抗を算出した。
(Measurement 6)
In addition to measurement 5, the internal resistance was calculated from the voltage drop at the beginning of discharge.
(測定7)
さらに、測定6に加え、さらに電圧2.6Vで24時間定電圧充電した後、開路状態で放置し72時間後の保持電圧を測定した。
(Measurement 7)
Furthermore, in addition to the measurement 6, the battery was further charged at a constant voltage of 2.6 V for 24 hours and then left in an open circuit state, and the holding voltage after 72 hours was measured.
(測定8)
その後、測定7終了後の円筒型セル60を分解し、正極51A及び負極51Bの厚みを測定し、その膨張率を測定した。
なお、この膨張率のことを測定4の初期膨張率に対して、充放電後膨張率という。
(Measurement 8)
Thereafter, the
This expansion coefficient is referred to as the post-charge / discharge expansion coefficient with respect to the initial expansion coefficient of measurement 4.
以上の測定1〜8の結果として、表1を得た。 Table 1 was obtained as a result of the above measurements 1-8.
表1において、実施例1と比較例1の測定結果から、電極のもと厚みに対する見かけ厚みの比が1.000である(加工電極41に凹凸部45がないもの(従来)と同じである)と、その抵抗が実施例1の抵抗2.21mΩに比べ、比較例1の抵抗5.42mΩとなり、抵抗値が上がってしまうことが分かる。また、保持電圧においても、実施例1の保持電圧2.444Vに比べ、比較例1の保持電圧0.221Vとなり、電圧保持特性の低下を引き起こしていることが分かる。比較例1では、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間に隙間Dが形成されていないため、正極51A及び負極51Bへの電解液の含浸性が悪くなり、抵抗の上昇や電圧保持性の低下を引き起こしたと考えられる。
In Table 1, from the measurement results of Example 1 and Comparative Example 1, the ratio of the apparent thickness to the base thickness of the electrode is 1.000 (the same as the case where the processed electrode 41 does not have the uneven portion 45 (conventional)). ) And the resistance of the comparative example 1 becomes 5.42 mΩ compared to the resistance of 2.21 mΩ of the first embodiment, and the resistance value increases. Also, the holding voltage is 0.221 V in Comparative Example 1 compared to the holding voltage of 2.444 V in Example 1, and it can be seen that the voltage holding characteristics are degraded. In Comparative Example 1, since the gap D is not formed between the
また、実施例1と実施例2の測定結果から、加工電極41における凹凸部45、47の間隔Aが、10〜15mmの範囲であれば、電気二重層キャパシタの特性はいずれも良好であることが分かる。さらに、凹凸部45、47の断面の形状が、加工電極41Aのような半楕円の形状であっても、加工電極41Bのような角型の形状であっても、いずれも良好であることが分かる。
In addition, from the measurement results of Example 1 and Example 2, if the distance A between the concave and
一方、実施例6の測定結果から、凹凸部45の間隔Aが30mmであると、実施例1の抵抗2.21mΩに比べ、実施例6の抵抗3.53mΩとなり、抵抗値が上昇しやすいことが分かる。実施例6では、凹凸部45の間隔Aが広すぎてしまい、捲回型素子体53の作製の際に、正極51A及び負極51Bとセパレータ12との間の隙間Dが潰れ、正極51A及び負極51Bに十分な量の電解液を供給できなくなり、抵抗の上昇等を引き起こしたと考えられる。
On the other hand, from the measurement result of Example 6, when the distance A between the concave and
また、実施例2の凹凸部47の形状やその間隔A等と、実施例3のセパレータ12等の形状とを組み合わせた実施例4においても、他の実施例1〜3に比べ、特性に大きな差異が生じないことが分かる。
Moreover, in Example 4 which combined the shape of the uneven | corrugated |
一方、実施例7の測定結果から、セパレータ12の厚みが60μm、空隙率が80%及び最大孔径2.5μmであると、実施例1の保持電圧2.444Vに比べ、実施例7の保持電圧0.507Vとなり、電圧保持特性が低下しやすいことが分かる。実施例7では、セパレータ12の最大孔径が大きすぎて、正極51A及び負極51Bがセパレータ12を貫通して短絡しやすくなり、また正極51A及び負極51B中に含まれる金属不純物が析出して微小短絡を起こしたため、保持電圧が低下したと考えられる。
On the other hand, from the measurement results of Example 7, when the thickness of the
さらに、実施例1と比較例2の測定結果から、電極シート37A、37Bの導電材として黒鉛粉末を用いると、実施例1の抵抗2.21mΩに比べ、比較例2の抵抗20.8mΩとなり、抵抗値が上がっていることが分かる。また、容量保持電圧においても、実施例1に比べ、著しく低下していることが分かる。
さらに、実施例1の電解液量は111gであるのに対し、比較例2では75gと著しく減少している。比較例2では、導電材の材質を変えたことで、電極シート37A、37B自体の導電性が低下し、正極51A及び負極51Bに分極に必要な量の電解液を保持できなくなって、抵抗の上昇や電圧保持性の低下を引き起こしたと考えられる。
Furthermore, from the measurement results of Example 1 and Comparative Example 2, when graphite powder was used as the conductive material of the
Further, the amount of the electrolytic solution in Example 1 is 111 g, while that in Comparative Example 2 is significantly reduced to 75 g. In Comparative Example 2, by changing the material of the conductive material, the conductivity of the
なかでも、実施例1〜5の測定結果から、電極シート37A、37Bの炭素質材料の比表面積が800〜1800m2/gで、セパレータ12の厚みが40〜50μm、空隙率が60〜80%、かつ最大孔径が0.8〜0.9μmであれば、電気二重層キャパシタの特性はいずれも良好であることが分かる。そのため、実施例1〜5の電気二重層キャパシタは、特に放電容量が100〜20000F、あるいは放電電流が1〜1000Aの大容量、大電流を主体とした用途向けの電気二重層キャパシタとして特に好適である。
Especially, from the measurement result of Examples 1-5, the specific surface area of the carbonaceous material of
なお、本発明の実施例として、円筒型セル60を用いた電気二重層キャパシタの例を示したが、この実施例は、角型セルを用いた電気二重層キャパシタに応用しても、同様な効果が得られる。
In addition, although the example of the electric double layer capacitor using the
1A、11A、51A 正極
1B、11B、51B 負極
2、12 セパレータ
3 角型素子体
13、53 捲回型素子体
20A 角型セル
20B、60 円筒型セル
31 電極
33 金属集電箔
35 接着層
37A、37B 電極シート
41A、41B 加工電極
45、47 凹凸部
1A, 11A, 51A Positive electrode
1B, 11B, 51B Negative electrode
2,12 Separator
3. Square element body
13, 53 Winding element body
20A square cell
20B, 60 Cylindrical cell
31 electrodes
33 Metal current collector foil
35 Adhesive layer
37A, 37B electrode sheet
41A, 41B Processing electrode
45, 47 Concavity and convexity
Claims (7)
前記正極と前記負極の少なくとも一方の電極には突設部又は屈曲部が、前記ケースの底面に対する高さ方向に連続して形成されており、
前記少なくとも一方の電極と前記セパレータとの間には前記突設部又は前記屈曲部の高さによる隙間が形成されていることを特徴とする電気二重層キャパシタ。 The case accommodated the electrolytic solution, a positive electrode and a negative electrode made of an electrode containing carbon black, which form an electric double layer at the interface between the electrolytic solution, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode. An electric double layer capacitor,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a protruding portion or a bent portion formed continuously in the height direction with respect to the bottom surface of the case,
The electric double layer capacitor is characterized in that a gap is formed between the at least one electrode and the separator by a height of the protruding portion or the bent portion.
前記少なくとも一方の電極と前記セパレータとの間に前記突設部又は前記屈曲部の高さによる隙間を形成することを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。 Forming an electric double layer at the interface with the electrolytic solution, forming a positive electrode and a negative electrode made of an electrode containing carbon black, forming a projecting portion or a bent portion on at least one of the positive electrode and the negative electrode, A step of forming an element by disposing a separator between the positive electrode and the negative electrode, a step of accommodating the element in a case, a step of impregnating the element with an electrolytic solution, and at least one charging operation are performed in this order,
A method of manufacturing an electric double layer capacitor, wherein a gap is formed between the at least one electrode and the separator by a height of the protruding portion or the bent portion.
前記金属集電体、前記電極シート及び前記接着層の厚みの和からなる電極の厚みに対し、該電極の厚みと前記突設部又は前記屈曲部の高さとの和が1.01倍以上1.20倍以下となるように前記突設部又は前記屈曲部を形成し、
前記突設部又は前記屈曲部を前記ケースの高さ方向と垂直な方向に20mm以下の間隔で形成する請求項5記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 On the metal current collector, an electrode sheet having a carbonaceous material as a main component and having a thickness of 80 μm or more and 400 μm or less is bonded through an adhesive layer to form the electrode,
The sum of the thickness of the electrode and the height of the projecting portion or the bent portion is 1.01 or more times the thickness of the electrode comprising the sum of the thicknesses of the metal current collector, the electrode sheet, and the adhesive layer. Forming the projecting portion or the bent portion to be 20 times or less,
6. The method of manufacturing an electric double layer capacitor according to claim 5, wherein the protruding portions or the bent portions are formed at intervals of 20 mm or less in a direction perpendicular to the height direction of the case.
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