JP2004289104A - 高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【目的】多数個の巻回体をバッテリー容器の多数個の仕切りに収納して双極性スーパーキャパシタを構成し、５Ｖの高い動作電圧および大電流を提供する。
【解決手段】陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備え、かつ陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有する複数個の巻回体と、複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器とを有し、かつ巻回体が、全ての電極および隔離膜の発端、全ての電極および隔離膜の終端、巻回体の上端、巻回体の下端を封止材として重合体で密閉されるものである。
【選択図】 図１
【解決手段】陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備え、かつ陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有する複数個の巻回体と、複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器とを有し、かつ巻回体が、全ての電極および隔離膜の発端、全ての電極および隔離膜の終端、巻回体の上端、巻回体の下端を封止材として重合体で密閉されるものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同心巻回してエッジシーリングした高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタに関し、特に、多数個の巻回体を容器内部の多数個の仕切りに収納して双極性スーパーキャパシタを構成し、高電圧および大電流を提供する高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は、エネルギー保存ならびにエネルギー供給のために最も常用される携帯式デバイスである。電池を使用する時には、デバイスの２つの機能的な特性、すなわち使用時間および出力電力によりその実用性が決定されるが、とりわけ車両への応用においてそうである。長い使用時間を獲得するために、電池の電極は、通常、厚く作られており、さもなければ、新しい電極材料は、鉛−酸電池からリチウム電池への進化のように、開発実証されなければならない。厚い電極とは反対に、米国特許第５，０４７，３００号、第５，１０８，８４８号、第５，２２３，３５１号および第５，９９３，９８３号明細書に開示されているように、細くて薄い電極が電池の大電力出力に用いられている。前３つは、厚い電極と細くて薄い電極とが１つの電池容器中に一緒にパッケージされている。米国特許第５，９９３，９８３号は、細くて薄い電極を元の電池上に外付けして、電力増力手段としている。類似した外付けの電力増力手段も、米国特許第５，５６８，５３７号、第５，９３７，９７８号および第５，７９６，１８８号明細書に開示されている。電池の充放電は、化学反応を含んでいるので、電池の電力出力は、基本的に反応速度により制限される。反応時間について言えば、化学反応は、物理反応よりも遅い。従って、電池の電力出力がキャパシタより小さいのは、後者が電荷集積または表面吸着という物理現象によりエネルギー保存するからである。理論上、キャパシタは、細くて薄い電極の電池を使用するよりも厚い電極の電池の増力手段とするのに適していると同時に、厚い電極の電池の使用時間を延長できる。
【０００３】
電池の電力密度が低いのと同様に、キャパシタにも欠点があり、例えばエネルギー密度が低いことである。皮肉なことに、キャパシタに高い電力密度を持たせている物理変化こそが、キャパシタの低いエネルギー密度の原因である。このような状況は「得るのが容易で、失うのも容易」と形容することができる。キャパシタのエネルギー蓄積は、次の数式１で計算することができる。
【０００４】
Ｅ＝（１／２）ＣＶ２ （１）
【０００５】
数式１中、Ｅはジュール（Ｊ）を単位とする蓄積エネルギー、Ｃはファラッド（Ｆ）を単位とする電気容量、Ｖはボルト（Ｖ）を単位とするキャパシタの動作電圧である。従って、ＣとＶとが増加する時、キャパシタのエネルギー蓄積は増大する。自乗であるために、Ｖは、キャパシタのエネルギー密度を改善する上で、Ｃよりも効果が大きい。次に、キャパシタの電気容量は下記の数式２で計算することができる。
【０００６】
Ｃ＝ＫＡ／Ｄ （２）
【０００７】
数式２は、Ｃとキャパシタ電極材料の誘電係数（Ｋ）およびｍ２を単位とする電極面積（Ａ）が正比例することを表し、ｍを単位とする両極間距離（Ｄ）に反比例することを表している。Ｃを大きくするために、高いＫ値を有する電極材料が開発されるとともに、エッチングまたは他の方法で電極面積（Ａ）を大きくすることができる。両極間距離（Ｄ）については、電極を緊密にパッケージすることで短縮することができる。スーパーキャパシタは、巨大な表面積を有する材料、例えばカーボン材料、あるいは触媒能力を有する金属酸化物を用いるとともに、電極および電解液の界面上の物理変化を介して電気エネルギーを保存する電気化学キャパシタである。スーパーキャパシタ以外にも、このような大容量のキャパシタを呼称する名称がある。例えば、カーボン材料を使用するデバイスは、電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＝ ＥＤＬＣ）と呼ばれ、金属酸化物を使用するものはウルトラキャパシタと呼ばれている。大きな表面積により、スーパーキャパシタは、数千ファラッドにも達する静電荷を急速に蓄積することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スーパーキャパシタは、極めて大きな電気容量を蓄積することができるものの、両極間、つまり陽極および陰極間に成立する電圧は１．０〜３．０Ｖに過ぎず、水系または有機系電解液によって決まる。事実上、スーパーキャパシタの低い動作電圧は、キャパシタが用いる電解液の溶剤の分解電圧である。一般的に言って、有機電解液の動作電圧は、水系よりも大きいが、前者は導電度が小さい。新しい電解液が開発されてその耐電圧が向上された時、スーパーキャパシタの動作電圧は、直列接続により急速に向上させることができる。スーパーキャパシタの直列接続は、２つの方式で完成することができ、１つは、多電極を単一のキャパシタとして合成するものであり、例えば、米国特許第５，４５０，２７９号、第５，９５５，２１５号、第６，０５５，７６４号、第６，１８７，０６１号、第６，４４９，１３９号および第６，５０７，４７９号明細書などに開示されたものがあり、もう１つは、多数のパッケージされたキャパシタを１電力モジュールとするものであり、例えば、米国特許第６，０７２，６９１号および第６，２１５，２７８号がある。以上に引用した米国特許明細書は、いずれもこの発明の参考文献である。しかしながら、これらの米国特許は、いずれも多数個の容器を使用し、長い接続線を用い、多数回のパッケージを必要とし、構成される単体の内部抵抗（ＥＳＲ）の大きさが均一でないという欠点がある。
【０００９】
また、さらに２つの米国特許第５，４５０，２７９号および第６，００５，７６４号は、双極性構造によりキャパシタを製作しているが、いずれも堆積法によりキャパシタを製作している。米国特許第５，４５０，２７９号は、さらに隔離袋、埋蔵式隔離膜、埋蔵式集電板を用いて双極効果を発生させ、米国特許第６，００５，７６４号は、多数個のキャパシタユニットを堆積して、例えば１００組の陽極および陰極により１００Ｖの動作電圧を獲得している。従って、堆積法によりキャパシタを合成することは、多くの処理プロセスを含むので、生産効率が低下しコストが増大するものとなる。とりわけ、全部の電極を堆積した後、２端板で挟んでからボルトおよびナットで固定するので、体積ならびに重量が大きなものとなる。
【００１０】
そこで、この発明の第１の目的は、十分なエネルギー密度を備えた単一パッケージのスーパーキャパシタとなって応用ニーズを満たすことができる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第２の目的は、大きな表面積を備えたスーパーキャパシタユニットを得るとともに、高い生産効率により双極性スーパーキャパシタを生産することで、製品として競争力を備えた双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第３の目的は、スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第４の目的は、電気的短絡および電気化学反応を防止して、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第５の目的は、材料の使用を節約するとともに、応用に提供される空間に適合させることができれば、形状的に制約のない双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第６の目的は、電極がキャパシタ充放電時の機械運動により振動損傷することを防止する双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備えるものであって、陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が１つの巻回体として同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有するものから構成される。
【００１２】
同じく、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備え、かつ陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有する複数個の巻回体と、複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器とを有し、かつ巻回体が、全ての電極および隔離膜の発端、全ての電極および隔離膜の終端、巻回体の上端、巻回体の下端を重合体で密閉されるものである。
【００１３】
【作用】
この発明は、多数個の電極を容器内部で直列接続することを利用して、従来技術にかかる多数個のパッケージされたキャパシタを並直列したものと較べて、次のような利点がある。１．前者は１容器を使用するだけであり、後者は多数の容器を使用する。２．前者は接続線が短い、または接続線を必要としないが、後者は長い接続線を使用する。３．前者は１回だけパッケージするが、後者は多数回パッケージする。４．前者は、均一した内部抵抗あるいは等価直列電気抵抗（ＥＳＲ）であるが、後者は構成される単体の内部抵抗（ＥＳＲ）の大きさが不均一である。
【００１４】
また、この発明が採用する双極性電極は、一面に正電気を帯び、他の一面に負電気を帯びる。構造上、双極性電極は、電解液を各単一キャパシタの両電極間に密封し、各キャパシタの電解液が相互流通しないように形成しているので、パッケージ済みのキャパシタを結合するよりも経済的で手間を省くことができる。さらに、双極性スーパーキャパシタを整合させることで、使用者にとって便利なものとなり、十分なエネルギー密度を備えた単一パッケージのスーパーキャパシタとして応用ニーズを満足させることができる。
【００１５】
しかも、この発明は、必要な数量の電極および隔離膜を一緒に同心巻回して円筒型あるいは角形の双極性スーパーキャパシタとしているので、各キャパシタを応用に必要な電気容量に従って適切な寸法に製作し、大きな表面積を有する双極性スーパーキャパシタユニットに合わせてキャパシタ容器を製造することができるとともに、自動巻回機により巻回操作を自動化すれば（実施例は手動）、高い生産効率でスーパーキャパシタを生産できるから、製品に競争力を備えさせることができる。
【００１６】
さらに、この発明は、双極性パッケージ法を使用しているため、双極性スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させることができる。また、電極および隔離膜の同心巻回を行う時、この発明は、重合可能な高分子で４回のエッジシーリングを行うことができるから、これらのエッジシーリングによって電解液を各ユニットキャパシタの両電極間をエッジシーリングできるだけでなく、電極の側縁も絶縁することができるので、電気的短絡または電気化学反応を防止することができ、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させることができる。
【００１７】
この発明は、必要な数量の双極性スーパーキャパシタユニットを等しい数量の仕切り中に入れてから、全部のユニットを十分なエネルギー密度のモジュールとして整合することができるため、応用に必要な電力が分かっている時、必要な仕切りの数量ならびに仕切りの寸法を確定することができる。
【００１８】
次に、この発明の双極性スーパーキャパシタは、必要に基づいて製作できるので、材料の使用を節約することができ、応用に提供する空間に適合させるだけで良く、形状を製作する上での制約はない。
【００１９】
さらに、この発明は、重合可能な充填材料を利用してキャパシタ容器を気密に密封して、双極性スーパーキャパシタの整合を完成させることができ、しかも充填材料がエッジシーリングと有効に協働して、電極がスーパーキャパシタ充放電時の機械運動により発生する振動損傷に対抗することができる。また、充填材料により機械的強度を提供することができ、ボルトおよびナットによる強度にも劣ることがないばかりか、ナットを締め付けるよりも簡単かつ迅速であり、半永久的な固定を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施形態】
以下、この発明にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
スーパーキャパシタは、２つの領域において積極的かつ持続的に開発が行われており、１つはレベルアップ、もう１つはキャパシタの新しい応用である。強力かつ安価なスーパーキャパシタがなければ、応用は地に着いたものとならない。人々はスーパーキャパシタのエネルギー蓄積に力を注いでいる。スーパーキャパシタの電気容量と電圧とが同時に応用に必要な水準に達していなければ、デバイスは、所定の負荷を駆動することができない。しかしながら、単一のスーパーキャパシタは、通常３．０Ｖでしか製作されておらず、あるいは正確に言うと２．３〜２．５Ｖで動作しており、その電気容量は１０００Ｆを超えている。多くの応用において、例えば、コンピュータメモリーの予備電源および車両の内燃機関は、３．０Ｖ以上の駆動電圧を必要としているが、必要とする電気容量は１０００Ｆよりも小さい。使用者にとって言えば、これは困惑する状況である。使用者は２．５Ｖのキャパシタを２個直列接続して、３．０Ｖまたは３．３Ｖしか必要としない仕事を行わなければならない。このようなやり方は、費用が高く付くだけでなく、動作空間に２つのキャパシタを収納することができない可能性がある。単一スーパーキャパシタの動作電圧を２．５Ｖから５．０Ｖに引き上げることができるだけで、無限の利益を引き出すことができる。周到なパッケージ方法によって、単一スーパーキャパシタは、従来技術にかかるパッケージ方法で使用するよりも少ない材料で、簡単に５．０Ｖあるいは更に大きな動作電圧に変換することができる。
【００２１】
＜第１実施例＞
図１（Ａ）において、この発明の第１実施例にかかる双極性スーパーキャパシタの斜視図を示す。楕円形の双極性スーパーキャパシタの巻回体１００は、陽極１０２と、陰極１０４と、双極性電極１０９と、３枚の隔離膜１０３とを同心巻回してなり、巻回体１００に上部１１０を有している。巻回体１００中の各電極は、溶着または圧着により導線に接続され、例えば巻回体１００上部１１０の陽極リード１０６および陰極リード１０８となっている。陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９を製作する方法は、安価な活性材料、例えば、活性炭、Ｆｅ３Ｏ４，ＭｎＯ２，ＮｉＯのスラリを２０〜１００μｍのアルミニウム箔上にローラ塗布してから、加熱乾燥してなるものである。また、多孔材料、例えば、マニラペーパ、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）を２０〜１００μｍの厚さで隔離膜１０３とすることができ、ショート防止ならびに電解液の貯蔵に用いる。巻回体１００を電解液、例えば１Ｍテトラエチルフルオロ硼酸四級アンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４）の炭酸プロピレン（ＰＣ）溶液に浸漬すれば、２．５Ｖの動作電圧まで充電することができる。巻回体１００の電気容量については、電極面積または使用する電極の長さと幅とにより決定される。
【００２２】
同じく、図１（Ａ）において、巻回操作の進行中または完成後に、巻回体１００の四辺に対してエッジシーリングを行えば、双極性スーパーキャパシタの単一巻回体を製作することができる。３枚の陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９と３枚の隔離膜１０３とを同心巻回する発端、つまり６枚の物体を前端において重合可能な高分子（図示せず）、例えば、エポキシ樹脂、ポリアクセレイト、ポリウレタンまたはポリエステルを重合反応により一体的に結合する。このような重合は双極性パッケージの第１エッジシーリングとなる。次に、巻回操作が完了して、巻回体１００をテープ（図示せず）で固定してから、６枚の物体を終端において同一シーリング材で結合して第２エッジシーリングとする。そして、同一高分子により巻回体１００の底部を密封し、陽極リード１０６および陰極リード１０８を突出させた上部１１０は、電解液を注入し隔離膜１０３に含浸させてから、密封を完了する。エッジシーリング高分子の重合時間は、配合により変更可能なので、エッジシーリングしやすいように調整することができる。このようにして、電解液をエッジシーリングにより巻回体１００中に密封する。もしも電解液が１Ｍ（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４／ＰＣまたはその他の適切な有機溶液であれば、製作されるキャパシタは５．０Ｖで動作することができる。実際上、上述したエッジシーリングにより２つの単一キャパシタを接続線なしで巻回体中に直列接続することができる。陽極１０２、双極性電極１０９に対向する対向面の作用は陰極１０４であり、双極性電極１０９の別な面は陰極１０４に対して、陽極１０２の働きをするからである。陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９は、いずれも同一な材料および方法で制作する。もしも更に多くの双極性電極１０９を陽極１０２および陰極１０４間に配置すれば、単一スーパーキャパシタは５．０Ｖ以上で動作することができる。
【００２３】
１つの５．０Ｖ巻回型双極性スーパーキャパシタの巻回体１００において、３枚の電極と３枚の隔離膜とを含んでいる。もしも同様に５．０Ｖの動作電圧を得たい場合、２つの従来技術にかかる２．５Ｖスーパーキャパシタを接続線で直列接続しなければならない。２つの従来技術にかかる直列接続において、４枚の電極と４枚の隔離膜と２つの容器とを使用するので、同じく５．０Ｖの動作電圧のスーパーキャパシタを製作するために、双極性パッケージ法は、従来技術よりも使用する材料が少なくてすむ。また、隔離膜１０３が電解液の大部分を含んでおり、電解液はスーパーキャパシタの最も高価な成分であるから、隔離膜を多く使えば使うほど、スーパーキャパシタの材料コストが高いものとなる。双極性パッケージの別なメリットとしては、エッジシーリングにより製作過程において露出される基材金属（すなわちＡｌ：アルミニウム）を絶縁することができるため、スーパーキャパシタが基材金属およびシステム中に含有される活性不純物（例えば水分）の反応が防止されて漏電流を低下させることができる。
【００２４】
図２において、双極性スーパーキャパシタの巻回体１００を作成する手動巻回機２００を示すと、寸法を特定していないが、手動巻回機２００は、金属ブロックからなる本体２１２を中心にして、その下が敷板２１１であり、机上に固定するためのものである（固定用ナットは図示せず）。本体２１２の両側には側板２０１および２０１があり、４つの六角ボルト２０２で本体２１２に固定されている。定規２０４には、ハンドル２０３が取り付けられて手動で回転され、スリット２０５で電極および隔離膜の前端を夾むようになっている。回転板２０７、当板２０９、固定ブロック２０８、固定ビス２１０を介して、定規２０４が手動巻回機２００を安定した状態で横方向へ貫いている。巻回する時、スリット２０５によって電極および隔離膜の発端を挟みながら、手で電極および隔離膜の後端をつかんで張力を発生させ、ガイドローラー２０６の助けを借りて電極および隔離膜を平坦に巻回することができる。巻回操作が完了した時、巻回体（図示せず）はハンドル２０３を右方向へ引くと取り外すことができる。高分子によりエッジシーリングを行うこと、およびテープ貼り付け、巻回体に対する圧縮は、いずれも手動操作である。しかし、巻回・エッジシーリング・リード接続・テープ張り付けを含む全ての手動操作は、いずれも自動化することが可能である。手動巻回機２００は、この発明の内容を分かりやすく説明するだけのものであり、量産工具として特許請求するものではない。同様に、巻回体１００の直径（最長方向）および高さ、定規２０４の幅ならびに手動巻回機２００左外側の長さによって決定される。巻回体１００の第３番目の寸法、つまり巻回体厚さは、ハンドル２０３の回転数により容易に制御することができ、巻回体厚さにより製作するキャパシタの電気容量を決定することができる。
【００２５】
＜第２実施例＞
図１（Ｂ）において、この発明の第２実施例にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタモジュールの斜視図を示すと、双極性スーパーキャパシタ３００は、例えば従来の鉛−酸バッテリーのような箱型の容器３１０を利用するもので、その中に複数個の仕切り３１２を設けており、容器３１０の材質は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、強化ポリエチレンまたは強化ポリプロピレンであり、図１（Ｂ）には６個の仕切り３１２を示している。各仕切り３１２には、図２に示した手動巻回機２００で製作した楕円形の巻回体３４０が収納されている。これらの巻回体３４０は、各仕切り３１２空間に合わせて製作している。次に、６個のキャパシタ巻回体３４０を接続線３５０で直列接続して、高エネルギーモジュールを形成するが、陽極となる導線３２０と陰極となる導線３３０を含んでおり、導線３２０および３３０など全ての電線は、例えば数百アンペアという大電流を伝導できるものである。もしもキャパシタ巻回体３４０が有機電解液を使用する従来型であれば、スーパーキャパシタモジュールは、１５Ｖで動作することができる。しかし、もしもキャパシタ巻回体３４０が双極性パッケージ法で製作されるならば、双極性スーパーキャパシタ３００は、３０Ｖで動作することができるが、その電気容量は従来型の巻回体を使用するものよりも小さいものとなる。その理由を数式１により説明する。
【００２６】
Ｅ＝（１／２）ＣＶ２ （１）
【００２７】
式中、Ｅはジュール（Ｊ）を単位とする保存エネルギー、Ｃはファラッド（Ｆ）を単位とする電気容量、Ｖはボルト（Ｖ）を単位とするキャパシタの動作電圧である。数個の同じ電気容量のキャパシタを直列接続する時、電極間距離（Ｄ）はｎ倍になるから、直列モジュールの電気容量は、単一キャパシタの電気容量をｎで割ったものとなる。同じ材料および電極面積を使用すると、１つの双極性電極を含む双極性スーパーキャパシタは、少なくとも非双極性キャパシタの１／２電気容量となる。そして、動作電圧が２倍になるので、数式２により説明する。
【００２８】
Ｃ＝ＫＡ／Ｄ （２）
【００２９】
式中、Ｋは誘電係数、Ａはｍ２単位とする電極面積である。双極性キャパシタは、非双極性キャパシタの２倍のエネルギー蓄積でなければならない。材料開発に長い時間と大きな投資とを投じて初めてスーパーキャパシタの動作電圧を向上させることができるのとは異なり、直列は、すぐにキャパシタの動作電圧を向上させることができる方法である。しかしながら、直列は、信頼性において不安定要素が存在する。もしも１素子が無効になれば、直列システム全体が無効なものとなる。従って、直列は、最小数量の素子と最小数量の接続部材で構成される必要がある。また、並列を使用する、あるいは直列と並列とを組み合わせて信頼性を向上させることもできる。この発明にかかる双極性パッケージ法は、双極性電極を１つだけ利用して、２つのキャパシタを直列接続して単一素子とすることができるので、動作電圧を非双極性キャパシタの２倍とすることができる。このような双極性素子を図１（Ｂ）のように直列接続することで更に大きな動作電圧を得ることができる。
【００３０】
図３において、パッケージを完了した双極性スーパーキャパシタモジュールの斜視図を示す。蓋４２０を容器４１０上面に取り付けると、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の組立が完了する。蓋４２０上には、プラス接点４３０とマイナス接点４４０とがあって、それぞれ図１（Ｂ）の導線３２０および３３０に接続されて、異なる負荷に異なる電力を提供する。蓋４２０および容器４１０には、いずれも弾性材料で製作され、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、強化ポリエチレン（ＰＥ）または強化ポリプロピレン（ＰＰ）とする。高分子で図１（Ｂ）の巻回体３４０の底部をエッジシーリングする時、その重合物を容器４１０の各仕切り３１２底部に配置すると、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の各構成素子が、キャパシタ充放電時の振動により損傷することを防止することができる。ボルトおよびナットを使用することなく、蓋４２０と容器４１０とを上述したエッジシーリング材料に類似した充填（ｐｏｔｔｉｎｇ）材料により一体的に結合することができる。また、双極性スーパーキャパシタモジュール４００は、必要な電気容量ならびに動作電圧を備えなければならないだけでなく、低いＥＳＲ（等価直列抵抗）により動作しなければならない。高いＥＳＲは、スーパーキャパシタの出力電力を無効となるほど低下させる。同心巻回とエッジシーリングと底部強化とによって、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の電極は、緊密に押圧されるのでキャパシタのＥＳＲを低下させることができる。従って、この発明を利用して１Ｆ以上の電気容量、５Ｖの動作電圧、３０ｍΩ以下のＥＳＲという性能を備えた円筒型または角形スーパーキャパシタを容易に製作することができる。
【００３１】
＜実例＞
次に、実例を紹介するが、この発明を限定するためのものではない。
図２の手動巻回機２００で６個の楕円形の巻回体を製作した。長さ１１ｃｍ、幅６．６ｃｍ、高さ８．５ｃｍの鉛−酸バッテリーのような容器を利用したが、容器には６個の仕切りがあり、各仕切りの容積は１．６×６．３×７．０ｃｍであり、前述した６個の巻回体を収納する。各巻回体には２枚の電極と２枚の隔離膜があり、巻回体の寸法は仕切りの容積と同じでものとした。例えば１Ｍ（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４／ＰＣという有機電解液で各巻回体を浸漬した後、全部の巻回体を直列接続してからパッケージを行い、図３に示した１５Ｖ×３２Ｆのスーパーキャパシタを形成した。このスーパーキャパシタは、図４に示したように、４種類の放電速度による良好な放電曲線を示した。総重量５５０ｇで測定して得られた瞬間電流が１７０Ａという状況において、この実例にかかる双極性スーパーキャパシタは、４．６ｋＷ／ｋｇの電力密度実験値を備えるものであった。この電力は、自動車の始動を含む多くの応用に利用できるものであった。
【００３２】
以上のごとく、この発明を好適な実施例により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと等価な領域を基準として定めなければならない。
【００３３】
【発明の効果】
上記構成により、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、必要な数量の電極および隔離膜を同心巻回して円筒型あるいは角形あるいは楕円形の双極性スーパーキャパシタとしているので、各キャパシタを応用に必要な電気容量に従って適切な寸法に製作し、大きな表面積を有する双極性スーパーキャパシタユニットに合わせてキャパシタ容器を製造することができるとともに、自動巻回機により巻回操作を自動化すれば（実施例は手動）、高い生産効率でスーパーキャパシタを生産できるから、製品に競争力を備えさせることができる。さらに、この発明は、双極性パッケージ法を使用しているため、双極性スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させることができる。また、電極および隔離膜の同心巻回を行う時、この発明は、重合可能な高分子で４回のエッジシーリングを行うことができるから、これらのエッジシーリングによって電解液を各ユニットキャパシタの両電極間をエッジシーリングできるだけでなく、電極の側縁も絶縁することができるので、電気的短絡または電気化学反応を防止することができ、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させることができる。また、この発明は、必要な数量の双極性スーパーキャパシタユニットを等しい数量の仕切り中に入れてから、全部のユニットを十分なエネルギー密度のモジュールとして整合することができるため、応用に必要な電力が分かっている時、必要な仕切りの数量ならびに仕切りの寸法を確定することができる。次に、この発明の双極性スーパーキャパシタは、必要に基づいて製作できるので、材料の使用を節約することができ、応用に提供する空間に適合させるだけで良く、形状を製作する上での制約はない。さらに、この発明は、重合可能な充填材料を利用してキャパシタ容器を気密に密封して、双極性スーパーキャパシタの整合を完成させることができ、しかも充填材料がエッジシーリングと有効に協働して、電極がスーパーキャパシタ充放電時の機械運動により発生する振動損傷に対抗することができる。また、充填材料により機械的強度を提供することができ、ボルトおよびナットによる強度にも劣ることがないばかりか、ナットを締め付けるよりも簡単かつ迅速であり、半永久的な固定を実現することができる。従って、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、この発明の第１実施例にかかる双極性スーパーキャパシタを示す斜視図であり、（Ｂ）は、この発明の第２実施例にかかる双極性スーパーキャパシタを示す斜視図である。
【図２】双極性スーパーキャパシタの巻回体を製作する手動巻回機を示す斜視図である。
【図３】図１（Ｂ）のパッケージを完了した双極性スーパーキャパシタモジュールを示す斜視図である。
【図４】この発明にかかる実例の４種類の放電速度による放電曲線を示す説明図である。
【符号の説明】
１００ 巻回体
１０２ 陽極
１０３ 隔離膜
１０４ 陰極
１０６ 陽極リード
１０８ 陰極リード
１０９ 双極性電極
３００ 双極性スーパーキャパシタモジュール
３１０ 容器
３１２ 仕切り
３２０，３３０ 導線
３４０ 巻回体
３５０ 接続線
【発明の属する技術分野】
この発明は、同心巻回してエッジシーリングした高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタに関し、特に、多数個の巻回体を容器内部の多数個の仕切りに収納して双極性スーパーキャパシタを構成し、高電圧および大電流を提供する高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は、エネルギー保存ならびにエネルギー供給のために最も常用される携帯式デバイスである。電池を使用する時には、デバイスの２つの機能的な特性、すなわち使用時間および出力電力によりその実用性が決定されるが、とりわけ車両への応用においてそうである。長い使用時間を獲得するために、電池の電極は、通常、厚く作られており、さもなければ、新しい電極材料は、鉛−酸電池からリチウム電池への進化のように、開発実証されなければならない。厚い電極とは反対に、米国特許第５，０４７，３００号、第５，１０８，８４８号、第５，２２３，３５１号および第５，９９３，９８３号明細書に開示されているように、細くて薄い電極が電池の大電力出力に用いられている。前３つは、厚い電極と細くて薄い電極とが１つの電池容器中に一緒にパッケージされている。米国特許第５，９９３，９８３号は、細くて薄い電極を元の電池上に外付けして、電力増力手段としている。類似した外付けの電力増力手段も、米国特許第５，５６８，５３７号、第５，９３７，９７８号および第５，７９６，１８８号明細書に開示されている。電池の充放電は、化学反応を含んでいるので、電池の電力出力は、基本的に反応速度により制限される。反応時間について言えば、化学反応は、物理反応よりも遅い。従って、電池の電力出力がキャパシタより小さいのは、後者が電荷集積または表面吸着という物理現象によりエネルギー保存するからである。理論上、キャパシタは、細くて薄い電極の電池を使用するよりも厚い電極の電池の増力手段とするのに適していると同時に、厚い電極の電池の使用時間を延長できる。
【０００３】
電池の電力密度が低いのと同様に、キャパシタにも欠点があり、例えばエネルギー密度が低いことである。皮肉なことに、キャパシタに高い電力密度を持たせている物理変化こそが、キャパシタの低いエネルギー密度の原因である。このような状況は「得るのが容易で、失うのも容易」と形容することができる。キャパシタのエネルギー蓄積は、次の数式１で計算することができる。
【０００４】
Ｅ＝（１／２）ＣＶ２ （１）
【０００５】
数式１中、Ｅはジュール（Ｊ）を単位とする蓄積エネルギー、Ｃはファラッド（Ｆ）を単位とする電気容量、Ｖはボルト（Ｖ）を単位とするキャパシタの動作電圧である。従って、ＣとＶとが増加する時、キャパシタのエネルギー蓄積は増大する。自乗であるために、Ｖは、キャパシタのエネルギー密度を改善する上で、Ｃよりも効果が大きい。次に、キャパシタの電気容量は下記の数式２で計算することができる。
【０００６】
Ｃ＝ＫＡ／Ｄ （２）
【０００７】
数式２は、Ｃとキャパシタ電極材料の誘電係数（Ｋ）およびｍ２を単位とする電極面積（Ａ）が正比例することを表し、ｍを単位とする両極間距離（Ｄ）に反比例することを表している。Ｃを大きくするために、高いＫ値を有する電極材料が開発されるとともに、エッチングまたは他の方法で電極面積（Ａ）を大きくすることができる。両極間距離（Ｄ）については、電極を緊密にパッケージすることで短縮することができる。スーパーキャパシタは、巨大な表面積を有する材料、例えばカーボン材料、あるいは触媒能力を有する金属酸化物を用いるとともに、電極および電解液の界面上の物理変化を介して電気エネルギーを保存する電気化学キャパシタである。スーパーキャパシタ以外にも、このような大容量のキャパシタを呼称する名称がある。例えば、カーボン材料を使用するデバイスは、電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＝ ＥＤＬＣ）と呼ばれ、金属酸化物を使用するものはウルトラキャパシタと呼ばれている。大きな表面積により、スーパーキャパシタは、数千ファラッドにも達する静電荷を急速に蓄積することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スーパーキャパシタは、極めて大きな電気容量を蓄積することができるものの、両極間、つまり陽極および陰極間に成立する電圧は１．０〜３．０Ｖに過ぎず、水系または有機系電解液によって決まる。事実上、スーパーキャパシタの低い動作電圧は、キャパシタが用いる電解液の溶剤の分解電圧である。一般的に言って、有機電解液の動作電圧は、水系よりも大きいが、前者は導電度が小さい。新しい電解液が開発されてその耐電圧が向上された時、スーパーキャパシタの動作電圧は、直列接続により急速に向上させることができる。スーパーキャパシタの直列接続は、２つの方式で完成することができ、１つは、多電極を単一のキャパシタとして合成するものであり、例えば、米国特許第５，４５０，２７９号、第５，９５５，２１５号、第６，０５５，７６４号、第６，１８７，０６１号、第６，４４９，１３９号および第６，５０７，４７９号明細書などに開示されたものがあり、もう１つは、多数のパッケージされたキャパシタを１電力モジュールとするものであり、例えば、米国特許第６，０７２，６９１号および第６，２１５，２７８号がある。以上に引用した米国特許明細書は、いずれもこの発明の参考文献である。しかしながら、これらの米国特許は、いずれも多数個の容器を使用し、長い接続線を用い、多数回のパッケージを必要とし、構成される単体の内部抵抗（ＥＳＲ）の大きさが均一でないという欠点がある。
【０００９】
また、さらに２つの米国特許第５，４５０，２７９号および第６，００５，７６４号は、双極性構造によりキャパシタを製作しているが、いずれも堆積法によりキャパシタを製作している。米国特許第５，４５０，２７９号は、さらに隔離袋、埋蔵式隔離膜、埋蔵式集電板を用いて双極効果を発生させ、米国特許第６，００５，７６４号は、多数個のキャパシタユニットを堆積して、例えば１００組の陽極および陰極により１００Ｖの動作電圧を獲得している。従って、堆積法によりキャパシタを合成することは、多くの処理プロセスを含むので、生産効率が低下しコストが増大するものとなる。とりわけ、全部の電極を堆積した後、２端板で挟んでからボルトおよびナットで固定するので、体積ならびに重量が大きなものとなる。
【００１０】
そこで、この発明の第１の目的は、十分なエネルギー密度を備えた単一パッケージのスーパーキャパシタとなって応用ニーズを満たすことができる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第２の目的は、大きな表面積を備えたスーパーキャパシタユニットを得るとともに、高い生産効率により双極性スーパーキャパシタを生産することで、製品として競争力を備えた双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第３の目的は、スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第４の目的は、電気的短絡および電気化学反応を防止して、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させる双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第５の目的は、材料の使用を節約するとともに、応用に提供される空間に適合させることができれば、形状的に制約のない双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。この発明の第６の目的は、電極がキャパシタ充放電時の機械運動により振動損傷することを防止する双極性スーパーキャパシタとそのモジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備えるものであって、陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が１つの巻回体として同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有するものから構成される。
【００１２】
同じく、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、陽極と、陰極と、陽極および陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、陽極、陰極、双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、隔離膜に含浸された電解液とを備え、かつ陽極、陰極、双極性電極、隔離膜が同心状に巻き付けられるとともに、陽極に取り付けられたリードおよび陰極に取り付けられた別なリードを有する複数個の巻回体と、複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器とを有し、かつ巻回体が、全ての電極および隔離膜の発端、全ての電極および隔離膜の終端、巻回体の上端、巻回体の下端を重合体で密閉されるものである。
【００１３】
【作用】
この発明は、多数個の電極を容器内部で直列接続することを利用して、従来技術にかかる多数個のパッケージされたキャパシタを並直列したものと較べて、次のような利点がある。１．前者は１容器を使用するだけであり、後者は多数の容器を使用する。２．前者は接続線が短い、または接続線を必要としないが、後者は長い接続線を使用する。３．前者は１回だけパッケージするが、後者は多数回パッケージする。４．前者は、均一した内部抵抗あるいは等価直列電気抵抗（ＥＳＲ）であるが、後者は構成される単体の内部抵抗（ＥＳＲ）の大きさが不均一である。
【００１４】
また、この発明が採用する双極性電極は、一面に正電気を帯び、他の一面に負電気を帯びる。構造上、双極性電極は、電解液を各単一キャパシタの両電極間に密封し、各キャパシタの電解液が相互流通しないように形成しているので、パッケージ済みのキャパシタを結合するよりも経済的で手間を省くことができる。さらに、双極性スーパーキャパシタを整合させることで、使用者にとって便利なものとなり、十分なエネルギー密度を備えた単一パッケージのスーパーキャパシタとして応用ニーズを満足させることができる。
【００１５】
しかも、この発明は、必要な数量の電極および隔離膜を一緒に同心巻回して円筒型あるいは角形の双極性スーパーキャパシタとしているので、各キャパシタを応用に必要な電気容量に従って適切な寸法に製作し、大きな表面積を有する双極性スーパーキャパシタユニットに合わせてキャパシタ容器を製造することができるとともに、自動巻回機により巻回操作を自動化すれば（実施例は手動）、高い生産効率でスーパーキャパシタを生産できるから、製品に競争力を備えさせることができる。
【００１６】
さらに、この発明は、双極性パッケージ法を使用しているため、双極性スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させることができる。また、電極および隔離膜の同心巻回を行う時、この発明は、重合可能な高分子で４回のエッジシーリングを行うことができるから、これらのエッジシーリングによって電解液を各ユニットキャパシタの両電極間をエッジシーリングできるだけでなく、電極の側縁も絶縁することができるので、電気的短絡または電気化学反応を防止することができ、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させることができる。
【００１７】
この発明は、必要な数量の双極性スーパーキャパシタユニットを等しい数量の仕切り中に入れてから、全部のユニットを十分なエネルギー密度のモジュールとして整合することができるため、応用に必要な電力が分かっている時、必要な仕切りの数量ならびに仕切りの寸法を確定することができる。
【００１８】
次に、この発明の双極性スーパーキャパシタは、必要に基づいて製作できるので、材料の使用を節約することができ、応用に提供する空間に適合させるだけで良く、形状を製作する上での制約はない。
【００１９】
さらに、この発明は、重合可能な充填材料を利用してキャパシタ容器を気密に密封して、双極性スーパーキャパシタの整合を完成させることができ、しかも充填材料がエッジシーリングと有効に協働して、電極がスーパーキャパシタ充放電時の機械運動により発生する振動損傷に対抗することができる。また、充填材料により機械的強度を提供することができ、ボルトおよびナットによる強度にも劣ることがないばかりか、ナットを締め付けるよりも簡単かつ迅速であり、半永久的な固定を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施形態】
以下、この発明にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
スーパーキャパシタは、２つの領域において積極的かつ持続的に開発が行われており、１つはレベルアップ、もう１つはキャパシタの新しい応用である。強力かつ安価なスーパーキャパシタがなければ、応用は地に着いたものとならない。人々はスーパーキャパシタのエネルギー蓄積に力を注いでいる。スーパーキャパシタの電気容量と電圧とが同時に応用に必要な水準に達していなければ、デバイスは、所定の負荷を駆動することができない。しかしながら、単一のスーパーキャパシタは、通常３．０Ｖでしか製作されておらず、あるいは正確に言うと２．３〜２．５Ｖで動作しており、その電気容量は１０００Ｆを超えている。多くの応用において、例えば、コンピュータメモリーの予備電源および車両の内燃機関は、３．０Ｖ以上の駆動電圧を必要としているが、必要とする電気容量は１０００Ｆよりも小さい。使用者にとって言えば、これは困惑する状況である。使用者は２．５Ｖのキャパシタを２個直列接続して、３．０Ｖまたは３．３Ｖしか必要としない仕事を行わなければならない。このようなやり方は、費用が高く付くだけでなく、動作空間に２つのキャパシタを収納することができない可能性がある。単一スーパーキャパシタの動作電圧を２．５Ｖから５．０Ｖに引き上げることができるだけで、無限の利益を引き出すことができる。周到なパッケージ方法によって、単一スーパーキャパシタは、従来技術にかかるパッケージ方法で使用するよりも少ない材料で、簡単に５．０Ｖあるいは更に大きな動作電圧に変換することができる。
【００２１】
＜第１実施例＞
図１（Ａ）において、この発明の第１実施例にかかる双極性スーパーキャパシタの斜視図を示す。楕円形の双極性スーパーキャパシタの巻回体１００は、陽極１０２と、陰極１０４と、双極性電極１０９と、３枚の隔離膜１０３とを同心巻回してなり、巻回体１００に上部１１０を有している。巻回体１００中の各電極は、溶着または圧着により導線に接続され、例えば巻回体１００上部１１０の陽極リード１０６および陰極リード１０８となっている。陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９を製作する方法は、安価な活性材料、例えば、活性炭、Ｆｅ３Ｏ４，ＭｎＯ２，ＮｉＯのスラリを２０〜１００μｍのアルミニウム箔上にローラ塗布してから、加熱乾燥してなるものである。また、多孔材料、例えば、マニラペーパ、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）を２０〜１００μｍの厚さで隔離膜１０３とすることができ、ショート防止ならびに電解液の貯蔵に用いる。巻回体１００を電解液、例えば１Ｍテトラエチルフルオロ硼酸四級アンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４）の炭酸プロピレン（ＰＣ）溶液に浸漬すれば、２．５Ｖの動作電圧まで充電することができる。巻回体１００の電気容量については、電極面積または使用する電極の長さと幅とにより決定される。
【００２２】
同じく、図１（Ａ）において、巻回操作の進行中または完成後に、巻回体１００の四辺に対してエッジシーリングを行えば、双極性スーパーキャパシタの単一巻回体を製作することができる。３枚の陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９と３枚の隔離膜１０３とを同心巻回する発端、つまり６枚の物体を前端において重合可能な高分子（図示せず）、例えば、エポキシ樹脂、ポリアクセレイト、ポリウレタンまたはポリエステルを重合反応により一体的に結合する。このような重合は双極性パッケージの第１エッジシーリングとなる。次に、巻回操作が完了して、巻回体１００をテープ（図示せず）で固定してから、６枚の物体を終端において同一シーリング材で結合して第２エッジシーリングとする。そして、同一高分子により巻回体１００の底部を密封し、陽極リード１０６および陰極リード１０８を突出させた上部１１０は、電解液を注入し隔離膜１０３に含浸させてから、密封を完了する。エッジシーリング高分子の重合時間は、配合により変更可能なので、エッジシーリングしやすいように調整することができる。このようにして、電解液をエッジシーリングにより巻回体１００中に密封する。もしも電解液が１Ｍ（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４／ＰＣまたはその他の適切な有機溶液であれば、製作されるキャパシタは５．０Ｖで動作することができる。実際上、上述したエッジシーリングにより２つの単一キャパシタを接続線なしで巻回体中に直列接続することができる。陽極１０２、双極性電極１０９に対向する対向面の作用は陰極１０４であり、双極性電極１０９の別な面は陰極１０４に対して、陽極１０２の働きをするからである。陽極１０２、陰極１０４、双極性電極１０９は、いずれも同一な材料および方法で制作する。もしも更に多くの双極性電極１０９を陽極１０２および陰極１０４間に配置すれば、単一スーパーキャパシタは５．０Ｖ以上で動作することができる。
【００２３】
１つの５．０Ｖ巻回型双極性スーパーキャパシタの巻回体１００において、３枚の電極と３枚の隔離膜とを含んでいる。もしも同様に５．０Ｖの動作電圧を得たい場合、２つの従来技術にかかる２．５Ｖスーパーキャパシタを接続線で直列接続しなければならない。２つの従来技術にかかる直列接続において、４枚の電極と４枚の隔離膜と２つの容器とを使用するので、同じく５．０Ｖの動作電圧のスーパーキャパシタを製作するために、双極性パッケージ法は、従来技術よりも使用する材料が少なくてすむ。また、隔離膜１０３が電解液の大部分を含んでおり、電解液はスーパーキャパシタの最も高価な成分であるから、隔離膜を多く使えば使うほど、スーパーキャパシタの材料コストが高いものとなる。双極性パッケージの別なメリットとしては、エッジシーリングにより製作過程において露出される基材金属（すなわちＡｌ：アルミニウム）を絶縁することができるため、スーパーキャパシタが基材金属およびシステム中に含有される活性不純物（例えば水分）の反応が防止されて漏電流を低下させることができる。
【００２４】
図２において、双極性スーパーキャパシタの巻回体１００を作成する手動巻回機２００を示すと、寸法を特定していないが、手動巻回機２００は、金属ブロックからなる本体２１２を中心にして、その下が敷板２１１であり、机上に固定するためのものである（固定用ナットは図示せず）。本体２１２の両側には側板２０１および２０１があり、４つの六角ボルト２０２で本体２１２に固定されている。定規２０４には、ハンドル２０３が取り付けられて手動で回転され、スリット２０５で電極および隔離膜の前端を夾むようになっている。回転板２０７、当板２０９、固定ブロック２０８、固定ビス２１０を介して、定規２０４が手動巻回機２００を安定した状態で横方向へ貫いている。巻回する時、スリット２０５によって電極および隔離膜の発端を挟みながら、手で電極および隔離膜の後端をつかんで張力を発生させ、ガイドローラー２０６の助けを借りて電極および隔離膜を平坦に巻回することができる。巻回操作が完了した時、巻回体（図示せず）はハンドル２０３を右方向へ引くと取り外すことができる。高分子によりエッジシーリングを行うこと、およびテープ貼り付け、巻回体に対する圧縮は、いずれも手動操作である。しかし、巻回・エッジシーリング・リード接続・テープ張り付けを含む全ての手動操作は、いずれも自動化することが可能である。手動巻回機２００は、この発明の内容を分かりやすく説明するだけのものであり、量産工具として特許請求するものではない。同様に、巻回体１００の直径（最長方向）および高さ、定規２０４の幅ならびに手動巻回機２００左外側の長さによって決定される。巻回体１００の第３番目の寸法、つまり巻回体厚さは、ハンドル２０３の回転数により容易に制御することができ、巻回体厚さにより製作するキャパシタの電気容量を決定することができる。
【００２５】
＜第２実施例＞
図１（Ｂ）において、この発明の第２実施例にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタモジュールの斜視図を示すと、双極性スーパーキャパシタ３００は、例えば従来の鉛−酸バッテリーのような箱型の容器３１０を利用するもので、その中に複数個の仕切り３１２を設けており、容器３１０の材質は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、強化ポリエチレンまたは強化ポリプロピレンであり、図１（Ｂ）には６個の仕切り３１２を示している。各仕切り３１２には、図２に示した手動巻回機２００で製作した楕円形の巻回体３４０が収納されている。これらの巻回体３４０は、各仕切り３１２空間に合わせて製作している。次に、６個のキャパシタ巻回体３４０を接続線３５０で直列接続して、高エネルギーモジュールを形成するが、陽極となる導線３２０と陰極となる導線３３０を含んでおり、導線３２０および３３０など全ての電線は、例えば数百アンペアという大電流を伝導できるものである。もしもキャパシタ巻回体３４０が有機電解液を使用する従来型であれば、スーパーキャパシタモジュールは、１５Ｖで動作することができる。しかし、もしもキャパシタ巻回体３４０が双極性パッケージ法で製作されるならば、双極性スーパーキャパシタ３００は、３０Ｖで動作することができるが、その電気容量は従来型の巻回体を使用するものよりも小さいものとなる。その理由を数式１により説明する。
【００２６】
Ｅ＝（１／２）ＣＶ２ （１）
【００２７】
式中、Ｅはジュール（Ｊ）を単位とする保存エネルギー、Ｃはファラッド（Ｆ）を単位とする電気容量、Ｖはボルト（Ｖ）を単位とするキャパシタの動作電圧である。数個の同じ電気容量のキャパシタを直列接続する時、電極間距離（Ｄ）はｎ倍になるから、直列モジュールの電気容量は、単一キャパシタの電気容量をｎで割ったものとなる。同じ材料および電極面積を使用すると、１つの双極性電極を含む双極性スーパーキャパシタは、少なくとも非双極性キャパシタの１／２電気容量となる。そして、動作電圧が２倍になるので、数式２により説明する。
【００２８】
Ｃ＝ＫＡ／Ｄ （２）
【００２９】
式中、Ｋは誘電係数、Ａはｍ２単位とする電極面積である。双極性キャパシタは、非双極性キャパシタの２倍のエネルギー蓄積でなければならない。材料開発に長い時間と大きな投資とを投じて初めてスーパーキャパシタの動作電圧を向上させることができるのとは異なり、直列は、すぐにキャパシタの動作電圧を向上させることができる方法である。しかしながら、直列は、信頼性において不安定要素が存在する。もしも１素子が無効になれば、直列システム全体が無効なものとなる。従って、直列は、最小数量の素子と最小数量の接続部材で構成される必要がある。また、並列を使用する、あるいは直列と並列とを組み合わせて信頼性を向上させることもできる。この発明にかかる双極性パッケージ法は、双極性電極を１つだけ利用して、２つのキャパシタを直列接続して単一素子とすることができるので、動作電圧を非双極性キャパシタの２倍とすることができる。このような双極性素子を図１（Ｂ）のように直列接続することで更に大きな動作電圧を得ることができる。
【００３０】
図３において、パッケージを完了した双極性スーパーキャパシタモジュールの斜視図を示す。蓋４２０を容器４１０上面に取り付けると、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の組立が完了する。蓋４２０上には、プラス接点４３０とマイナス接点４４０とがあって、それぞれ図１（Ｂ）の導線３２０および３３０に接続されて、異なる負荷に異なる電力を提供する。蓋４２０および容器４１０には、いずれも弾性材料で製作され、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、強化ポリエチレン（ＰＥ）または強化ポリプロピレン（ＰＰ）とする。高分子で図１（Ｂ）の巻回体３４０の底部をエッジシーリングする時、その重合物を容器４１０の各仕切り３１２底部に配置すると、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の各構成素子が、キャパシタ充放電時の振動により損傷することを防止することができる。ボルトおよびナットを使用することなく、蓋４２０と容器４１０とを上述したエッジシーリング材料に類似した充填（ｐｏｔｔｉｎｇ）材料により一体的に結合することができる。また、双極性スーパーキャパシタモジュール４００は、必要な電気容量ならびに動作電圧を備えなければならないだけでなく、低いＥＳＲ（等価直列抵抗）により動作しなければならない。高いＥＳＲは、スーパーキャパシタの出力電力を無効となるほど低下させる。同心巻回とエッジシーリングと底部強化とによって、双極性スーパーキャパシタモジュール４００の電極は、緊密に押圧されるのでキャパシタのＥＳＲを低下させることができる。従って、この発明を利用して１Ｆ以上の電気容量、５Ｖの動作電圧、３０ｍΩ以下のＥＳＲという性能を備えた円筒型または角形スーパーキャパシタを容易に製作することができる。
【００３１】
＜実例＞
次に、実例を紹介するが、この発明を限定するためのものではない。
図２の手動巻回機２００で６個の楕円形の巻回体を製作した。長さ１１ｃｍ、幅６．６ｃｍ、高さ８．５ｃｍの鉛−酸バッテリーのような容器を利用したが、容器には６個の仕切りがあり、各仕切りの容積は１．６×６．３×７．０ｃｍであり、前述した６個の巻回体を収納する。各巻回体には２枚の電極と２枚の隔離膜があり、巻回体の寸法は仕切りの容積と同じでものとした。例えば１Ｍ（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４／ＰＣという有機電解液で各巻回体を浸漬した後、全部の巻回体を直列接続してからパッケージを行い、図３に示した１５Ｖ×３２Ｆのスーパーキャパシタを形成した。このスーパーキャパシタは、図４に示したように、４種類の放電速度による良好な放電曲線を示した。総重量５５０ｇで測定して得られた瞬間電流が１７０Ａという状況において、この実例にかかる双極性スーパーキャパシタは、４．６ｋＷ／ｋｇの電力密度実験値を備えるものであった。この電力は、自動車の始動を含む多くの応用に利用できるものであった。
【００３２】
以上のごとく、この発明を好適な実施例により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと等価な領域を基準として定めなければならない。
【００３３】
【発明の効果】
上記構成により、この発明にかかる高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタは、必要な数量の電極および隔離膜を同心巻回して円筒型あるいは角形あるいは楕円形の双極性スーパーキャパシタとしているので、各キャパシタを応用に必要な電気容量に従って適切な寸法に製作し、大きな表面積を有する双極性スーパーキャパシタユニットに合わせてキャパシタ容器を製造することができるとともに、自動巻回機により巻回操作を自動化すれば（実施例は手動）、高い生産効率でスーパーキャパシタを生産できるから、製品に競争力を備えさせることができる。さらに、この発明は、双極性パッケージ法を使用しているため、双極性スーパーキャパシタユニットの動作電圧を向上させることができる。また、電極および隔離膜の同心巻回を行う時、この発明は、重合可能な高分子で４回のエッジシーリングを行うことができるから、これらのエッジシーリングによって電解液を各ユニットキャパシタの両電極間をエッジシーリングできるだけでなく、電極の側縁も絶縁することができるので、電気的短絡または電気化学反応を防止することができ、キャパシタの漏電流（ＬＣ）を低下させることができる。また、この発明は、必要な数量の双極性スーパーキャパシタユニットを等しい数量の仕切り中に入れてから、全部のユニットを十分なエネルギー密度のモジュールとして整合することができるため、応用に必要な電力が分かっている時、必要な仕切りの数量ならびに仕切りの寸法を確定することができる。次に、この発明の双極性スーパーキャパシタは、必要に基づいて製作できるので、材料の使用を節約することができ、応用に提供する空間に適合させるだけで良く、形状を製作する上での制約はない。さらに、この発明は、重合可能な充填材料を利用してキャパシタ容器を気密に密封して、双極性スーパーキャパシタの整合を完成させることができ、しかも充填材料がエッジシーリングと有効に協働して、電極がスーパーキャパシタ充放電時の機械運動により発生する振動損傷に対抗することができる。また、充填材料により機械的強度を提供することができ、ボルトおよびナットによる強度にも劣ることがないばかりか、ナットを締め付けるよりも簡単かつ迅速であり、半永久的な固定を実現することができる。従って、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、この発明の第１実施例にかかる双極性スーパーキャパシタを示す斜視図であり、（Ｂ）は、この発明の第２実施例にかかる双極性スーパーキャパシタを示す斜視図である。
【図２】双極性スーパーキャパシタの巻回体を製作する手動巻回機を示す斜視図である。
【図３】図１（Ｂ）のパッケージを完了した双極性スーパーキャパシタモジュールを示す斜視図である。
【図４】この発明にかかる実例の４種類の放電速度による放電曲線を示す説明図である。
【符号の説明】
１００ 巻回体
１０２ 陽極
１０３ 隔離膜
１０４ 陰極
１０６ 陽極リード
１０８ 陰極リード
１０９ 双極性電極
３００ 双極性スーパーキャパシタモジュール
３１０ 容器
３１２ 仕切り
３２０，３３０ 導線
３４０ 巻回体
３５０ 接続線
Claims (4)
- 陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、前記陽極、前記陰極、前記双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、前記隔離膜に含浸された電解液とを備えるものであって、
前記陽極、前記陰極、前記双極性電極、前記隔離膜が１つの巻回体として同心状に巻き付けられるとともに、前記陽極に取り付けられたリードおよび前記陰極に取り付けられた別なリードを有するものであることを特徴とする高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタ。 - 上記高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタが、さらに、複数個の巻回体と、前記した複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器とを有することを特徴とする請求項１記載の高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタ。
- 陽極と、陰極と、前記陽極および前記陰極間に挿入される少なくとも１つの双極性電極と、前記陽極、前記陰極、前記双極性電極の後にそれぞれ配置される複数枚の隔離膜と、前記隔離膜に含浸された電解液とを備え、かつ前記陽極、前記陰極、前記双極性電極、前記隔離膜が同心状に巻き付けられるとともに、前記陽極に取り付けられたリードおよび前記陰極に取り付けられた別なリードを有する複数個の巻回体と、
前記した複数個の巻回体をそれぞれ収納する仕切りを有するとともに、それぞれを直列または並列あるいは両者の組み合わせにより接続する容器と、
を有することを特徴とする高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタ。 - 上記巻回体が、全ての電極および隔離膜の発端、全ての電極および隔離膜の終端、前記巻回体の上端、前記巻回体の下端を封止材として重合体で密閉されるものであることを特徴とする請求項１または３記載の高エネルギー密度の双極性スーパーキャパシタ。
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