JP2004303963A

JP2004303963A - 電気二重層キャパシタおよびその製造方法

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Publication number: JP2004303963A
Application number: JP2003095381A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Araki; 修一荒木
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP3909032B2

Abstract

【課題】自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを提供する
【解決手段】正極体１ａと負極体１ｂとこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体１ａおよび負極体１ｂは、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層３を形成する分極性電極と、金属層と混練物層３との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部４と、を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電要素に好適な電気二重層キャパシタおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の蓄電装置（電動自動車の駆動電源など）として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）の適用技術が注目される。
【０００３】
図１０は、電気二重層キャパシタの構成を例示する模式図であり、正極体２０ａと負極体２０ｂとこれらの間に介在するセパレータ２３とからキャパシタ本体が構成される。キャパシタ本体は電解液に浸され、容器２４に収容して密封される。
【０００４】
正極体２０ａおよび負極体２０ｂは、集電極２１を形成する金属層（たとえば、アルミニウム箔）と、その表面（図示の場合、箔２１の両面）に分極性電極２２を形成する活性炭主体の混練物層（活性炭層）と、を備えてなり、活性炭と電解液との界面に電荷が貯まり、電気の出し入れは集電極２１を介して行われるのである。
【０００５】
このような電気二重層キャパシタの製造方法において、集電極用（金属）シートの両面に予め成形の活性炭を主成分とする分極性電極用（混練物）シートを接合することにより素材シートを形成する工程と、素材シートから所定形状の電極シート（正極体および負極体を構成する単位体）を打ち抜き加工または切り取り加工により形成する工程と、を備えるものが開示される（特許文献１）。また、集電極用（金属）シートと共に分極性電極用の活性炭を主成分とする粘土状の混練物を押し出すことにより、集電極用シートの両面（または片面）に混練物層を一体成形するようにしたものが開示される（特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１６２７８７号
【特許文献２】
特開平８−１０８３８８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部と、金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２の発明または第３の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、面取り部は、金属層と混練物層との積層領域の角にアールをつけることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、金属の圧延シートから集電極用シートを形成する工程と、集電極用シートの両面に活性炭主体の混練物層を形成する工程と、この積層シートから正極体および負極体を構成する電極単位体を成形する工程と、電極単位体の金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部を与える工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法において、積層シートから電極単位体を成形する工程は、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に面取りする工程を含むことを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第５の発明または第６の発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法において、積層シートから電極単位体を成形する工程と、電極単位体の金属層と混練物層との積層領域の周縁に圧印加工部を与える工程と、は１つの加工機により同時的に処理されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
電気二重層キャパシタは、充電状態において、その電力量を外部の負荷の有無に関係なく内部で消費する現象（自己放電）が見られる。その要因のひとつに積層構造体（キャパシタ本体）の中において、面圧が均等でなく、面圧の突出する部位があると、両極（正極体と負極体と）が接近するため、自己放電率が高くなるものと考えられる。正極体および負極体は、その製造過程において、所定の平面形状に成形されるが、打ち抜き加工や切り取り加工によるため、剪断変形の起こる可能性が高く、キャパシタ本体の中に面圧の突出する部位を生じさせかねないのである。剪断変形は、とくに矩形平面の角に大きく生じやすい。
【００１６】
第１の発明においては、剪断変形を矯正する圧印加工部により、実際の剪断変形の有無に関係なく、金属層と混練物層との積層領域の周縁が均され、キャパシタ本体の中において、面圧の突出する部位となるのを防げるため、正極体および負極体の成形方法を変えることなく、自己放電率を低下させることができる。
【００１７】
第２の発明においては、面取り部により、金属層と混練物層との積層領域の角が湾曲縁に形成され、剪断変形を大きく生じやすい矩形平面の角が無くなるため、電気二重層キャパシタの自己放電率を低く抑えられる。
【００１８】
第３の発明においては、圧印加工部および面取り部により、自己放電率の低下を効果的に促進できる。
【００１９】
際４の発明においては、金属層と混練物層との積層領域の角にアールをつけることにより、剪断変形を大きく生じなくため、電気二重層キャパシタの自己放電率を低く抑えられる。
【００２０】
第５の発明においては、電極単位体の積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部を与える工程により、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを歩留まり良く生産しえるようになる。
【００２１】
第６の発明においては、電極単位体の成形工程に角を面取りする工程を含めることにより、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを効率よく生産しえるようになる。
【００２２】
第７の発明においては、２つの工程（電極単位体の成形工程と圧印加工部を与える工程）が１つの加工機により同時的に処理されるので、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを効率よく合理的に生産しえるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１において、１は電気二重層キャパシタの正極体および負極体を構成する電極単位体（電極シート）であり、電極シート１は集電極を形成する金属層（たとえば、アルミニウム箔）とその両面に分極性電極３を形成する活性炭主体の混練物層（活性炭層）とから組成される。金属層は矩形状に形成され、その矩形平面の一辺にリード部２ａが一体成形される。
【００２４】
電極単位体１は、後述の製造過程において、金属層と混練物層３との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部４が与えられ、金属層と混練物層３との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部Ｒが設けられるのである。
【００２５】
複数の電極シート１は、正極体１ａと負極体１ｂとの間を絶縁するセパレータ（紙製など多孔質膜から作られる）を介装しながら、所定数の積層体（キャパシタ本体）に構成される。電極シート１は、集電極のリード部２ａとの関係から、交互に反転させることにより、正極体１ａのリード部２ａと負極体１ｂのリード部２ａが対称位置に並ぶ積層状態に組み立てられる。
【００２６】
集電極のリード部２ａは，同極どうしが結束され、１対の端子板（たとえば、アルミニウム板）に対応する極性の結束部（リード部２ａの重合部分）が接合される。キャパシタ本体は、絶縁性の容器に収容される。容器は、その内部に電解液が注入され、電解液の含浸および電解精製が終わると、余分な電解液が抜き取られて密封されるのである（図１０、参照）。
【００２７】
このような構成により、活性炭（分極性電極３）と電解液との界面に電気二重層が形成され、電気の出し入れは集電極のリード部２ａを介して行われる。電極単位１は、圧印加工部４により、金属層と混練物層３との積層領域の周縁が均される（図６，図７，図９、参照）ため、キャパシタ本体（積層構造体）の中において、金属層と混練物層との積層領域の周縁が面圧の突出する部位となるのを防げるのである。また、面取り部Ｒにより、金属層と混練物層との積層領域の角がアールに面取りされ、剪断変形を大きく生じやすい矩形平面の角（エッジ）が無くなるため、圧印加工部４に基づく効果と相まって電気二重層キャパシタの自己放電率を効果的に低下させることができる。
【００２８】
このような電気二重層キャパシタの製造過程においては、金属の圧延シートから集電極用シートを形成する工程と、集電極用シートの両面に活性炭主体の混練物層を形成する工程と、この積層シートから正極体１ａおよび負極体１ｂを構成する電極単位体１を成形する工程と、電極単位体１の金属層と混練物層との積層領域の周縁（剪断変形）を矯正する圧印加工部４を与える工程と、が設定される。
【００２９】
図２において、その左側は分極性電極用シート１０を成形する工程を説明するものであり、活性炭を主成分とする原料は、攪拌機１１に投入され、その内部において、剪断力を加えながら均一な混練物に生成される。混練物は、攪拌機１１から帯状に押し出され、ローラ１２，１３により圧延される。圧延は、数次に亘って行われ、帯状の混練物を所定の厚さと密度に成形する。帯状の混練物（分極性電極用シート１０）は、移送しやすく、リール１４に巻き取られるのである。
【００３０】
図２において、その右側は集電極用シート１５と分極性電極用シート１０とから電極単位体１の素材（積層シート１７）を成形する工程を説明するものであり、集電極用シート１５は、リール１６から繰り出され、その両面に接着処理（導電性接着剤の塗布処理）が施される。その後、集電極用シート１５を挟む両側のリール１４から帯状の分極性電極用シート１０が繰り出され、ローラ１８，１９により集電極用シート１５の両面（導電性接着剤）に圧延される。
【００３１】
圧延は、数次に亘って行われ、集電極用シート１５の両面に混練物層を形成するように分極性電極用シート１０が一体化される。その後、帯状の積層シート１７（集電極シート１５の露出部を備える）は、リール２０に巻き取られ、次の工程において、型抜き加工およびコイニング加工（圧印加工）により、所定形状の電極単位体１に成形されるのである。なお、集電極用シートは、金属（たとえば、アルミニウム箔）の圧延シートから所定幅の帯状（混練物層との積層領域およびリード部の成形領域を備える）に成形される。
【００３２】
図４は、図２の工程に代替可能な別の工程を説明するものであり、集電極用シート１５は、リール１６から繰り出され、スラリ塗布処理において、粘土状の混練物（図２の攪拌機１１による生成物と同種のもの）により、集電極用シート１５の両面に混練物の塗布層３が形成される。塗布層３は、続く乾燥処理後、ローラ２１の圧延により、所定の厚さと密度に調整される。その後、帯状の積層シート１７ａ（集電極シート１５の露出部を備える）は、リール２０ａに巻き取られ、次の工程において、型抜き加工およびコイニング加工（圧印加工）により、所定形状の電極単位体１に成形される。
【００３３】
図３は、積層シート１７（または１７ａ）から電極単位体１（電極シート）を成形する工程を説明するものであり、積層シート１７（または１７ａ）は、リール２０（または２０ａ）から繰り出され、型抜き加工機２５に掛けられる。この工程において、積層シート１７（または１７ａ）から電極単位体１が所定の平面形状に打ち抜かれるが、その際の型抜きカットに伴う剪断力により、所定の平面形状体（電極単位体１）の周縁に図５のような変形（Ｅ）の起こる可能性がある。金属層（集電極）と混練物層（分極性電極３）との積層領域において、剪断変形が大きく生じやすく、完成品の内部に電解液と共に収装されるキャパシタ本体（積層構造体）において、面圧の突出する部位（正極体１ａと負極体１ｂとの間を接近させる）となり、電気二重層キャパシタの自己放電率を劣化させかねないのである。
【００３４】
そのため、型抜き工程に続いてコイニング工程が設定され、コイニング加工機２６により、金属層と混練物層３との積層領域の周縁（剪断変形）が矯正される。剪断変形は、電極単位体１の積層領域に限らず、金属層の露出部（集電極のリード部２ａ）の周縁にも生じるが、とくに支障が無ければ、その剪断変形はあえて矯正するに及ばないものと考えられる。
【００３５】
コイニング加工機２６の金型は、図６のように上型２６ａと下型２６ｂとからなり、これらの互いに向き合う平面矩形状の凹部２７ａ，２７ｂにより、その内部にセットされる電極単位体１を圧印（コイニング）するものであり、凹部２７ａ，２７ｂの縁辺に金属層２と混練物層３との積層領域の周縁（剪断変形）を矯正する斜めの印圧面２８が設定されるのである。金属層２と混練物層３との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部Ｒ（図１、参照）については、製造過程の工程数の合理化を図るため、型抜き加工に伴って成形するべく、型抜きのカット形状に設定される。
【００３６】
このように電極単位体１の積層領域の周縁（剪断変形）を矯正する圧印加工部４を与える工程により、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを歩留まり良く生産しえるようになる。また、電極単位体１の成形工程にその角をアールに面取りする工程を含めることにより、自己放電率の低下が促進され、高性能の電気二重層キャパシタを効率よく生産しえるようになる。
【００３７】
図７は、図３の加工行程に代替可能な加工行程を表すものであり、型抜き加工機３０のカット形状に金属層２と混練物層３との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部のアール形状が与えられ、金属層２と混練物層３との積層領域の周縁（剪断変形）を矯正する斜めの印圧面（図示せず）がそのカット形状の内側に設定される。積層シート１７（または１７ａ）は、リール２０（または２０ａ）から繰り出され、型抜き加工機３０において、金属層２と混練物層３との積層領域の角がアールに面取りされ、同じく積層領域の周縁に印圧加工部４を備える電極単位体１が積層シート１７（または１７ａ）から打ち抜かれる。
【００３８】
図８は、図３の加工行程に代替可能なさらに別の加工行程を表すものであり、１対のローラ３１ａ，３１ｂにより金型が構成される。ローラ３１ａ，３１ｂの外周に型抜きカット用の刃部３２ａ，３２ｂ（金属層２と混練物層３との積層領域の角を面取りするアール形状を備える）と、各刃部３２ａ，３２ｂの内側に金属層２と混練物層３との積層領域の周縁（剪断変形）を矯正する斜めの印圧面３３ａ，３３ｂが設定される（図９、参照）。積層シート１７（または１７ａ）は、リール２０（または２０ａ）から繰り出され、ローラ３１ａ，３１ｂの金型において、ローラ３１ａ，３１ｂが所定角度の回転する毎に金属層２と混練物層３との積層領域の角がアールに面取りされ、同じく積層領域の周縁に印圧加工部４を備える電極単位体１が積層シート１７（または１７ａ）から打ち抜かれるのである。
【００３９】
図７または図８においては、電極単位体１の角をアール面取りする工程を含む型抜きカット工程と、電極単位体１の積層領域の周縁に圧印加工部４を与える工程と、が１つの加工機３０、３１ａ，３１ｂにより同時的に処理されるので、自己放電率の低い高性能の電気二重層キャパシタを能率よく生産しえるようになる。
【００４０】
図示の実施形態は、積層型の電気二重層キャパシタへの適用例を説明するが、電極単位体１の圧印加工部４および面取り部Ｒについては、ロール型の電気二重層キャパシタ（帯状の正極体と帯状の負極体とこれらの間に介在するセパレータとからロール巻きに構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える）への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極シートの説明図である。
【図２】同じく製造過程の説明図である。
【図３】同じく製造過程の説明図である。
【図４】同じく図２に代替可能な製造過程の説明図である。
【図５】同じく型抜き工程の説明図である。
【図６】同じくコイニング工程の説明図である。
【図７】同じく図３に代替可能の製造過程の説明図である。
【図８】同じく図３に代替可能の製造過程の説明図である。
【図９】同じく型抜き工程およびコイニング工程の説明図である。
【図１０】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１電極性シート
１ａ正極体
１ｂ負極体
２集電極（金属層）
２ａリード部
３分極性電極（混練物層）
４圧印加工部
Ｒ面取り部
Ｅ剪断変形
１０分極性電極用シート
１５集電極用シート
１７，１７ａ積層シート
２５，３０型抜き加工機
２６コイニング加工機
３１ａ，３１ｂ金型ローラ

Claims

正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタにおいて、正極体および負極体は、集電極を形成する金属層と、集電極の表面に活性炭主体の混練物層を形成する分極性電極と、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に形成する面取り部と、金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
面取り部は、金属層と混練物層との積層領域の角にアールをつけることを特徴とする請求項２または請求項３の記載に係る電気二重層キャパシタ。
正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成されるキャパシタ本体と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、金属の圧延シートから集電極用シートを形成する工程と、集電極用シートの両面に活性炭主体の混練物層を形成する工程と、この積層シートから正極体および負極体を構成する電極単位体を成形する工程と、電極単位体の金属層と混練物層との積層領域の周縁に剪断変形を矯正する圧印加工部を与える工程と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
積層シートから電極単位体を成形する工程は、金属層と混練物層との積層領域の角を外側へ凸の湾曲縁に面取りする工程を含むことを特徴とする請求項５の記載に係る電気二重層キャパシタの製造方法。
積層シートから電極単位体を成形する工程と、電極単位体の金属層と混練物層との積層領域の周縁に圧印加工部を与える工程と、は１つの加工機により同時的に処理されることを特徴とする請求項５または請求項６の記載に係る電気二重層キャパシタの製造方法。