JP2004228345A

JP2004228345A - 分極性電極とそれを用いた積層型電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2004228345A
Application number: JP2003014507A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nishizaki; 賢之西崎
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】高い静電容量を持ち、電解液が容易に含浸されるシート電極を有する積層型電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】セパレータ３を介して対向する二つの分極性電極１６からなるセル６と、積層したセル６を両端から挟む集電極板５と、セル６の外周部から密閉するパッキン８とを有する積層型電気二重層キャパシタ１７であって、分極性電極１６は、活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極１と、活性炭繊維布電極２とを重ね合わせてなる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分極性電極とそれを用いた積層型電気二重層キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６には、積層型電気二重層キャパシタ（以後、単に「キャパシタ」という）の一例の分解した構成図を示し、図７には、その断面図を示す。
キャパシタ１７は、セパレータ３とこのセパレータ３を介して対向する二つの分極性電極１６とからなるセル６を、中間電極４を挟んで交互に積層し、両端から集電極板５で挟み、さらに外側からエンドプレート７で締め付けることにより、密閉構造を保ちセル６内部に圧力を加える構造となっている。なお、分極性電極１６には、電解液が含浸される。この電解液が漏れ出さないように、分極性電極１６、中間電極４の外周部には、シール機能を有するパッキン８が挟まれ積層される。また、このパッキン８は対向する分極性電極１６同士が接触しないようにする絶縁機能をも兼ね備えている。
【０００３】
また、キャパシタ１７は、金属電極端面の集電極板５、中間電極４にリード線が取り付けられ、直列に接続する構造であり、（１セルの耐電圧）×（セルの積層数）の耐電圧を持つことになる。一般的な巻取方式を用いた同一容量のキャパシタと比べると、このキャパシタ１７では、ケーブル等が不要なので、高耐電圧の設計をコンパクトにでき、設置体積が小さくなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３０７７１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
非水系キャパシタの電極材として、フェノール系樹脂繊維を水蒸気賦活した活性炭繊維布電極が使われる。活性炭繊維布電極は、比表面積が大きく、密度が低いため、体積当たりの抵抗が小さくなり、キャパシタの低抵抗化には有効である。しかし、密度が低いため体積当たりの発現静電容量も小さく、約９Ｆ／ｃｃの静電容量しか発現することができない。そのため、発現静電容量を大きくするには、活性炭繊維布電極の体積を大きくする必要があり、活性炭繊維布電極の厚みを増すか、面積を大きくする必要があり、いずれにしてもキャパシタのコンパクト性が損なわれる。
【０００６】
よって、キャパシタのコンパクト性を損なわずに、キャパシタの静電容量を大きくするには、電極材である活性炭繊維布電極の密度を高くする必要がある。そこで、発現静電容量が大きい電極材として、粒径約２０μｍがピークとなる粒径分布を持つ活性炭粉末をＰＴＦＥのバインダー等を用いてシート状にして、多孔質化したシート電極を製造した。このシート電極の密度は、活性炭繊維布電極の密度の約３倍であり、この発現静電容量は、約１６Ｆ／ｃｃであった。
【０００７】
シート電極の厚さは、０．３ｍｍ以下であるため、取り扱いにくく、積層前に電解液を含浸すると、更に取り扱いにくくなる。よって、積層した後に電解液を含浸している。
【０００８】
しかしながら、このシート電極を用いたキャパシタの構成では、次のような問題がある。
（１）シート電極は、高密度であり、さらに低気孔率であるため、電解液が浸透（含浸）しにくく作業工数（含浸時間）がかかる。
（２）シート電極では、電解液の浸透（含浸）速度が遅い。図９に示すように、電解液がシート電極１の輪郭部から中心部に向かって含浸する。そのため、シート電極１の中央部のエアー２６が抜けにくく、特に電極とセパレータとの間にエアー２６が残留しやすい。このエアー２６により、イオン移動が阻害され、電気的接触も完全に断たれるので、キャパシタの静電容量が減少すると共に、内部抵抗が急激に増加し、キャパシタ特性が悪くなる。
【０００９】
（３）電極材や電解液等に不純物が含まれるとき電圧を印加すると、この不純物の電気分解によりガスが発生する。高密度で表面が平滑なシート電極を用いたときに、シート電極とセパレータとの間にガスが残留し、排出されにくくなる。また、シート電極の面にガスが残留すると、その部分において、イオン移動が阻害され、電気的接触も完全に断たれるので、キャパシタの静電容量が減少すると共に、内部抵抗が急激に増加し、キャパシタ特性が悪くなる。
【００１０】
なお、特許文献１には、キャパシタの多層電極構造体が開示されている。しかし、この特許文献１に記載のものは、集電材への付着性が良く、抵抗が低いものであり、高い静電容量を持ち、電解液の含浸が容易な多層電極構造体では無い。
【００１１】
このようなことから、本発明は上述した問題を解決するものであって、高い静電容量を持ち、電解液が容易に含浸される分極性電極とその分極性電極を用いたキャパシタを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明に係る構成は、活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ねてなることを特徴とする分極性電極に存する。
この発明に係る分極性電極によれば、シート電極と活性炭繊維布電極とが接する面からシート電極に電解液が含浸されると共に、活性炭繊維布電極の表面の凹凸に沿って、ガスが排出される。
【００１３】
上記課題を解決する第２の発明に係る構成は、活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ね、前記シート電極に複数の穴を設けたことを特徴とする分極性電極に存する。
この発明に係る分極性電極によれば、シート電極と活性炭繊維布電極とが接する面からシート電極に電解液が含浸されると共に、シート電極に形成された穴からもシート電極に電解液が含浸される。また、活性炭繊維布電極の表面の凹凸に沿って、ガスが排出される。
【００１４】
上記課題を解決する第３の発明に係る構成は、活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ね、前記シート電極を複数に分割したことを特徴とする分極性電極に存する。
この発明に係る分極性電極によれば、シート電極と活性炭繊維布電極とが接する面からシート電極に電解液が含浸されると共に、分割されたシート電極間の溝からもシート電極に電解液が含浸される。また、活性炭繊維布電極の表面の凹凸に沿って、ガスが排出される。
【００１５】
上記課題を解決する第４の発明に係る構成は、セパレータと当該セパレータを介して対向する二つの分極性電極からなるセルを有するキャパシタであって、前記分極性電極は、第１の発明乃至第３のいずれかに記載の分極性電極であり、前記シート電極が前記セパレータ側に配置されることを特徴とするキャパシタに存する。
この発明に係るキャパシタによれば、電解液注入装置を用いて、キャパシタ内に電解液を注入すると、電解液が活性炭繊維布電極を介して、シート電極に含浸される。また、活性炭繊維布電極の表面の凹凸に沿って、ガスが排出される。
【００１６】
上記課題を解決する第５の発明に係る構成は、セパレータと当該セパレータを介して対向する二つの分極性電極からなるセルを有するキャパシタであって、前記分極性電極は、第１の発明乃至第３のいずれかに記載の分極性電極であり、前記活性炭繊維布電極が前記セパレータ側に配置されることを特徴とすることを特徴とするキャパシタに存する。
この発明に係るキャパシタによれば、電解液注入装置を用いて、キャパシタ内に電解液を注入すると、電解液が活性炭繊維布電極を介して、シート電極に含浸される。また、活性炭繊維布電極の表面の凹凸に沿って、ガスが排出される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１は、シート電極と、活性炭繊維布電極とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
分極性電極１６は、シート電極１と活性炭繊維布電極２とを重ねてなり、中間電極４とセパレータ３との間に配置される構成である。
シート電極１は、粒径約２０μｍがピークとなる粒径分布を持つ活性炭粉末をＰＴＦＥのバインダー等を用いてシート状にして、多孔質化したものである。
電解液は、シート電極１の輪郭部と、活性炭繊維布電極２に接する面とからシート電極１に含浸される。キャパシタ内のガスは、活性炭繊維布電極２の表面の凹凸に沿って、排出される。
【００１９】
＜実施の形態２＞
図２は、複数の穴を形成したシート電極と、活性炭繊維布電極とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
分極性電極１６は、シート電極１と活性炭繊維布電極２とを重ねてなり、中間電極４とセパレータ３との間に配置される構成である。
シート電極１は、粒径約２０μｍがピークとなる粒径分布を持つ活性炭粉末をＰＴＦＥのバインダー等を用いてシート状にして、多孔質化したものに複数個の穴１３を設けたものである。
電解液は、穴１３と、シート電極１の輪郭部と、活性炭繊維布電極２に接する面とからシート電極１に含浸される。よって、シート電極１の全体で均等な分布となるように穴１３を設けると、シート電極１に電解液を含浸するのにより効果的である。ただし、キャパシタの静電容量は電解液が含浸されるシート電極１の面積にも依存するので、シート電極１に設ける穴１３は、できるだけ少ない方が良い。また、キャパシタ内のガスは、活性炭繊維布電極２の表面の凹凸に沿って、排出される。
【００２０】
＜実施の形態３＞
図３は、分割したシート電極と、活性炭繊維布電極とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
分極性電極１６は、シート電極１と活性炭繊維布電極２とを重ねてなり、中間電極４とセパレータ３との間に配置される構成である。
シート電極１は、粒径約２０μｍがピークとなる粒径分布を持つ活性炭粉末をＰＴＦＥのバインダー等を用いてシート状にして、多孔質化したものを４つに分割したものである。
分割したシート電極１５の間にできる溝１４から、エアーやセル内で発生したガスが排出されると共に、電解液がシート電極１に含浸される。さらに、活性炭繊維布電極２に接する面とからも電解液が含浸される。よって、エアーや発生したガスが残留しやすいシート電極１の中心部を含むように分割すると、より効果的にエアーや発生したガスが排出されると共に、より効果的にシート電極１に電解液が含浸される。また、キャパシタ内のガスは、活性炭繊維布電極２の表面の凹凸に沿っても、排出される。
シート電極１は、対角線で二つに分割したり、網目状で複数に分割したりするなど、分割の仕方は色々あり、上記実施の形態に限定されない。
【００２１】
＜実施の形態４＞
図４は、シート電極と活性炭繊維布電極とを重ねてなる分極性電極を有するキャパシタの一例を示す断面図である。キャパシタ１７は、集電極板５の間に、セパレータ３とセパレータ３を介して対向する二つの分極性電極１６とからなるセル６を収納し、各セル６の間に中間電極４を挟んで積層してなり、両側から集電極板５で挟み、さらに外側からエンドプレート７で締め付け、締め付けボルト９にて固定する構造であり、セル６から電解液が漏れ出さないように、セル６の階層毎に、外周部からシール機能を有するパッキン８が挟み込まれる。
ここで、分極性電極１６は、シート電極１と活性炭繊維布電極２とからなる。また、セパレータ３側に活性炭繊維布電極２が配置される。なお、中間電極４には電解液をセル６内に導入するガス抜き孔１１が設けられ、エンドプレート７には、電解液をキャパシタ１７内に注入するガス抜き弁１０が設けられる。さらに、中間電極４と集電極板５とには、シート電極１との接触面に導電性塗料１２が塗装される。
【００２２】
キャパシタへの電解液の含浸は、図８に示す電解液注入装置２３により行われる。電解液注入装置２３は、電解液を貯蔵する注入タンク２２と、前記電解液を排出し、前記注入タンク２２に連結する定量ポンプ２５と、キャパシタを設置し、真空ポンプ２０を有する真空チャンバー２１とからなる。
最初に、真空チャンバー２１内にキャパシタ１７を設置し、前記真空チャンバー２１に連結する不活性ガス２７を充填する。次に、真空チャンバー２１に別系統で連結する真空ポンプ２０を用いて、真空チャンバー２１内を減圧すると共に、圧力計２４を有する定量タンク２５から、電解液が定量ポンプ２５により真空チャンバー２１内のキャパシタ１７に注入される。なお、定量ポンプ２５と真空チャンバー２１との間に圧力計２６を介在させることにより、電解液の注入量を測定することができる。キャパシタ１７では、電解液は、ガス抜き弁１０からガス抜き孔１１を介してセル６内に注入され、活性炭繊維布電極２、シート電極１に含浸される。シート電極１は、図１乃至３に示すような構造をしているので、輪郭部から電解液が含浸されると共に、シート電極１と活性炭繊維布電極２とが接する面からも含浸される。また、キャパシタ１７内のガスは、活性炭繊維布電極２の表面の凹凸に沿って、排出される。よって、キャパシタに電解液を短時間で含浸することができる。
【００２３】
＜実施の形態５＞
図５は、シート電極と活性炭繊維布電極とを重ねてなる分極性電極を有するキャパシタの一例を示す断面図である。実施の形態４と重複するキャパシタの構成についての説明は、省略する。
シート電極１と活性炭繊維布電極２とを重ねてなる分極性電極１６は、セパレータ３側にシート電極１が配置される。また、電解液の含浸は、実施の形態４と同様になされる。
【００２４】
このような本実施の形態にかかるキャパシタにおいては、前述した実施の形態４の場合と同様に、シート電極１の輪郭部から電解液が含浸されると共に、シート電極１と活性炭繊維布電極２とが接する面からも含浸される。また、キャパシタ１７内のガスは、活性炭繊維布電極２の表面の凹凸に沿って、排出される。よって、キャパシタに電解液を短時間で含浸することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の分極性電極を用いたキャパシタによれば、電解液が活性炭繊維布電極を介してシート電極に含浸されるため、含浸時間が短くなり、作業工数の低減を図ることができる。さらに、シート電極に設けた穴や、分割したシート電極間の溝を介しても、電解液がシート電極に含浸されるため、含浸時間が短くなり、作業工数の低減を図ることができる。
また、活性炭繊維布の表面が、凹凸状なので、活性炭繊維布の繊維に沿って、ガスが通る流路が形成され、キャパシタ内からガスが容易に排出されるので、キャパシタ内の残留ガスによる、キャパシタの性能の低下を防ぐことができる。
【００２６】
また、キャパシタに電圧を印加して、シート電極や活性炭繊維布電極や電解液等に含まれる不純物から発生した分解ガスも、分割したシート電極間の溝や活性炭繊維布の繊維に沿って排出されるので、電圧印加によるキャパシタの性能の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シート電極と、活性炭繊維布とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
【図２】複数の穴を形成したシート電極と、活性炭繊維布とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
【図３】分割したシート電極と、活性炭繊維布電極とからなる分極性電極の一例の分解した状態を示す概略図である。
【図４】シート電極と活性炭繊維布電極とを重ねてなる分極性電極を有するキャパシタの一例を示す断面図である。
【図５】シート電極と活性炭繊維布電極とを重ねてなる分極性電極を有するキャパシタの一例を示す断面図である。
【図６】従来のキャパシタの一例の構成図である。
【図７】従来のキャパシタの一例の断面図である。
【図８】キャパシタの内部への電解液の含浸方法を示す概略図である。
【図９】セル内の電解液の流れを示すモデル図である。
【符号の説明】
１シート電極
２活性炭繊維布電極
３セパレータ
４中間電極
１０ガス抜き弁
１１ガス抜き孔
１２導電性接着剤
１３穴
１４溝
１５分割したシート電極
１６分極性電極
１７キャパシタユニット
２４電解液が含浸された箇所
２５電解液が含浸されていない箇所
２６残留エアー

Claims

活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ねてなることを特徴とする分極性電極。
活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ね、前記シート電極に複数の穴を設けたことを特徴とする分極性電極。
活性炭粉末等を混合してシート状に形成してなるシート電極と、活性炭繊維布電極とを重ね、前記シート電極を複数に分割したことを特徴とする分極性電極。
セパレータと当該セパレータを介して対向する二つの分極性電極からなるセルを有する積層型電気二重層キャパシタであって、前記分極性電極は、請求項１乃至３のいずれかに記載の分極性電極であり、前記シート電極が前記セパレータ側に配置されることを特徴とする積層型電気二重層キャパシタ。
セパレータと当該セパレータを介して対向する二つの分極性電極からなるセルを有する積層型電気二重層キャパシタであって、前記分極性電極は、請求項１乃至３のいずれかに記載の分極性電極であり、前記活性炭繊維布電極が前記セパレータ側に配置されることを特徴とする積層型電気二重層キャパシタ。