JP2005093859A

JP2005093859A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2005093859A
Application number: JP2003327535A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Ota; 秀利太田
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】電気二重層キャパシタの低抵抗化に有効な片面構造の電極の利用形態を変え、体積容量密度を向上させ得る電気二重層キャパシタおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】正電極および負電極が各々、集電電極と、該集電電極の片面に活性炭からなる分極性電極層を形成し、該集電電極にリード端子を固着して構成され、
２つの正電極の集電電極側を向き合わせた正電極セルと、同様に２つの負電極の集電電極側を向き合わせた負電極セルとを形成し、
上記正電極セルおよび負電極セルを、セパレータを介して巻回または積層し、
上記集電電極の厚さが０．０１５〜０．１１０ｍｍ、分極性電極層の厚さが０．０１０〜０．５００ｍｍであり、
上記集電電極にリード端子を固着する手段がコールド加締、針穴加締、超音波溶接、または抵抗溶接であり、
上記リード端子の固着箇所を複数箇所設けたことを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関するものであり、特に低ＥＳＲ用電極構造配置に関するものである。

従来、電気二重層キャパシタに用いる分極性電極は、活性炭粒子を含む炭素電極が幅広く使用されており、活性炭粒子を含む電極合剤からなる分極性電極層を集電電極である導電性基材上に形成することにより製造される。
このような電極の構造としては、集電電極１枚に対し分極性電極層を両面に形成した両面構造のものと、片面に形成した片面構造のものがある。

両面構造の電極は、集電電極１枚あたりに担持できる分極性電極層の体積が増加するため、キャパシタの体積容量密度（単位体積当たりの静電容量）を向上させるのに有益な技術である（例えば特許文献１参照）。
しかし、分極性電極層が両面に形成されているため、リード端子を接続する際、集電電極の上にある分極性電極層が障害となり、接続できないため、接続箇所の分極性電極層を物理的に剥離する等の処理が必要となる。

一方、片面構造の電極では、上記のように分極性電極層を剥離する等の処理が不要であり、また、任意の位置にリード端子を設けることができる（例えば特許文献１、２参照）。
しかし、片面構造の電極は、両面構造の場合に比べ集電電極１枚あたりに担持できる分極性電極層の体積が減少するため、キャパシタの体積容量密度が低下する欠点がある。
特開平５−７４６５７（第４頁、図２、図３）特開平５−５５０８５（第２−４頁、図１）

電気二重層キャパシタの性能を向上させるためには、体積容量密度を向上させること、および、内部抵抗（ＥＳＲ）を低減させることが大きな課題となる。
すなわち、体積容量密度を向上させるには、集電電極を薄くして担持できる分極性電極層の相対的な体積密度を向上させる必要があり、内部抵抗を低減するには、集電電極を厚くして単位容量あたりの電気伝導率を高めることが必要になる。
特に近年、自動車関連用途では、内部抵抗の小さい電気二重層キャパシタの要求が強くなっている。

以上の観点から、電気二重層キャパシタの分極性電極は、求める課題によって適用し得る電極構造が異なるといえるが、片面電極と両面電極とでそれぞれ欠点があり、両者の欠点を補い得る技術は未だに開発されていない。
上記に鑑み、本発明は、電気二重層キャパシタの低抵抗化に有効な片面構造の電極の利用形態を変え、体積容量密度を向上させ得る電気二重層キャパシタを提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するものであり、片面構造の電極を用いても、両面構造の電極に匹敵する体積容量密度を有し、かつ、両面構造の電極では得られない内部抵抗の小さい電気二重層キャパシタを提供しようとするものであって、
下記の内容、
（１）巻回素子からなる分極性電極層の最適配置化
（２）一対の集電電極同士を接続する構造（背面接続電極対構造）を有する分極性電極の最適配置化
（３）巻回素子の引き出し端子の複数化による低抵抗化
（４）電極１枚あたりの薄手化による巻回性の向上
（５）引き出し端子の接続性の向上
を目的とする電極配置構造を提供するものである。

すなわち、正電極および負電極が各々、集電電極と、該集電電極の片面に活性炭からなる分極性電極層を形成し、該集電電極にリード端子を固着して構成され、
２つの正電極の集電電極側を向き合わせた正電極セルと、同様に２つの負電極の集電電極側を向き合わせた負電極セルとを形成し、
上記正電極セルおよび負電極セルを、セパレータを介して巻回または積層したことを特徴とする電気二重層キャパシタである。

また、上記の集電電極の厚さが０．０１５〜０．１１０ｍｍ、分極性電極層の厚さが０．０１０〜０．５００ｍｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタである。

さらに、上記の集電電極にリード端子を固着する手段がコールド加締、針穴加締、超音波溶接、または抵抗溶接であることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法である。

そして、上記のリード端子の固着箇所を複数箇所設けたことを特徴とする電気二重層キャパシタである。

本発明の電極配置構造を用いることにより、従来の片面電極より体積容量密度を飛躍的に向上させることができ、同時に電極引き出し部の形成に留意することなく、任意の位置で複数の引き出し電極を設けることが可能となるため、高容量密度で低抵抗の電気二重層キャパシタの製造が可能となる。
また、本発明の電極配置構造を用いることにより、上記９０μｍの半分の４５μｍ厚さの電極２枚で、集電電極厚さ９０μｍのものと同等の低抵抗化の効果が得られるため、電極の柔軟性を損なうことなく集電電極の厚手化が可能となり、容易に低抵抗電気二重層キャパシタの製造が可能となる。

電気二重層キャパシタの正電極（２枚）および負電極（２枚）を各々、集電電極（厚さ：０．０２０ｍｍ）と、該集電電極の片面に活性炭を塗布した分極性電極（厚さ：０．０９０ｍｍ）からなる電極で構成する。
該集電電極同士を向き合わせ、正極の集電電極に正極リード端子を、負極の集電電極に負極リード端子を固着し、上記の正極、負極リード端子により正極、負極の各々の集電電極同士を接続して（背面接続電極対）、正極、負極の電極セルを形成する。
上記正電極セルおよび負電極セルを、セパレータ（２枚）を介して巻回し、巻回形電気二重層キャパシタとする。

［実施例１］
厚さ０．０２０ｍｍの集電電極であるエッチングしたアルミニウム基材の片面に、厚さ０．０９０ｍｍの活性炭層をドクターブレード法により形成し、分極性電極層とした。
図８のように、この集電電極同士を向き合わせ、集電電極に固着したリード端子をコールド加締により接続して背面接続電極対（図４）を構成し、この電極対で、正電極セル、負電極セルをそれぞれ形成した。
上記の正電極セルと負電極セルを、図１〜３のようにセパレータを介して巻回し、巻回素子を作製した。
このとき、リード端子は、正極と負極の各集電電極２箇所から合計４箇所、引き出した。
上記の巻回素子を、テトラエチルアンモニウム・テトラフロロボレート１モル／Ｌのプロピレンカーボネート溶液（ＴＥＡＴＦＢ／ＰＣ１Ｍ）に含浸後、アルミニウムケースに封入し、電気二重層キャパシタ（サイズ：φ３５×５０ｍｍＬ）とした。

（従来例１）
図９のように、厚さ０．０４０ｍｍの集電電極であるエッチングしたアルミニウム基材の片面に、厚さ０．０９０ｍｍの活性炭層をドクターブレード法により形成し、分極性電極層とした。
この集電電極にリード端子を固着し、電極各１枚を正電極、負電極とし、背面接続電極対（電極セル）は形成せず、図５〜７のようにセパレータを介して巻回し、巻回素子を作製した。
このとき、リード端子は、正極と負極の各２箇所から合計４箇所、引き出した。
上記の巻回素子を、テトラエチルアンモニウム・テトラフロロボレート１モル／Ｌのプロピレンカーボネート溶液（ＴＥＡＴＦＢ／ＰＣ１Ｍ）に含浸後、アルミニウムケースに封入し、電気二重層キャパシタ（サイズ：φ３５×５０ｍｍＬ）とした。

［実施例２］
図１０のように、厚さ０．０５０ｍｍの集電電極であるエッチングしたアルミニウム基材の片面に、厚さ０．０５０ｍｍの活性炭層をドクターブレード法により形成し、分極性電極層とした。
この集電電極同士を向き合わせ、集電電極に固着したリード端子をコールド加締により接続して背面接続電極対（図４）を構成し、この電極対で、正電極セル、負電極セルをそれぞれ形成した。
上記の正電極セルと負電極セルを、図１〜３のようにセパレータを介して巻回し、巻回素子を作製した。
上記の巻回素子を、テトラエチルアンモニウム・テトラフロロボレート１モル／Ｌのプロピレンカーボネート溶液（ＴＥＡＴＦＢ／ＰＣ１Ｍ）に含浸し、アルミニウムケースに封入し、電気二重層キャパシタ（サイズ：φ３５×５０ｍｍＬ）とした。

（従来例２）
図１１のように、厚さ０．０５０ｍｍの集電電極であるエッチングしたアルミニウム基材の片面に、厚さ０．０５０ｍｍの活性炭層をドクターブレード法により形成し、分極性電極層とした。
この集電電極にリード端子を固着し、電極各１枚を正電極、負電極とし、背面接続電極対（電極セル）は形成せず、図５〜７のようにセパレータを介して巻回し、巻回素子を作製した。
このとき、リード端子は正極と負極の各２箇所から合計４箇所引き出した。
上記の巻回素子を、テトラエチルアンモニウム・テトラフロロボレート１モル／Ｌのプロピレンカーボネート溶液（ＴＥＡＴＦＢ／ＰＣ１Ｍ）に含浸し、アルミニウムケースに封入し、電気二重層キャパシタ（サイズ：φ３５×５０ｍｍＬ）とした。

上記のように作製した電気二重層キャパシタについて、静電容量、内部抵抗、充放電時の温度上昇について、調査した結果を表１に示す。なお、実施例１（図８）と従来例１（図９）とは各々、集電電極の合計厚さを０．０４０ｍｍ、分極性電極層の厚さを０．０９０ｍｍとした場合の比較であり、実施例２（図１０）と従来例２（図１１）とは、集電電極の厚さを０．０５０ｍｍ、分極性電極層の厚さを０．０５０ｍｍとした場合（サイズはいずれもφ３５×５０ｍｍＬ）の比較である。

表１において、まず、集電体厚さを同一にした実施例１と従来例１とで比較すると、静電容量は、実施例１では従来例１の１．４７倍、内部抵抗は、実施例１では従来例１の０．３０倍、充放電時の温度上昇は、実施例１では従来例１の０．２３倍と改善されているのが分かる。
次に、集電電極の厚さを同一にした実施例２と従来例２とで比較すると、静電容量は、実施例２では従来例２の１．３０倍、内部抵抗は、実施例２では従来例２の０．２５倍、充放電時の温度上昇は、実施例２では従来例２の０．２０倍と改善されているのが分かる。

また、上記の集電電極の厚さは０．０１５〜０．１１０ｍｍ、分極性電極層の厚さは０．０１０〜０．５００ｍｍの範囲が適当である。上記下限値未満では、内部抵抗が大きくなり、上記上限値を超えると、静電容量が低下するので問題がある。

なお、上記実施例では、正電極セルと負電極セルを、セパレータを介して巻回した素子を用いたが、積層した場合についても、同様の効果を得ることができる。
また、上記実施例では、集電電極にリード端子を固着する手段をコールド加締としたが、針穴加締、超音波溶接、または抵抗溶接による場合も、上記と同様の効果を得ることができる。
さらに、リード端子の固着箇所は、上記実施例では２箇所としたが、多くするほど内部抵抗を下げることができる。

本発明の実施例による、背面接続電極対構造を用いて形成した正電極セルおよび負電極セルを、セパレータを介して巻回した素子の外観図である。図１の素子の巻回状態図である。図１の素子の展開図である。図１の素子の背面接続電極対の状態図である。従来例による、正電極および負電極を、セパレータを介して巻回した素子の外観図である。図５の素子の巻回状態図である。図５の素子の展開図である。実施例１による素子の背面接続電極対の平面状態図である。従来例１による素子の平面状態図である。実施例２による素子の背面接続電極対の平面状態図である。従来例２による素子の平面状態図である。

符号の説明

１集電電極
２分極性電極層
３セパレータ（電解紙）
４負電極セル
５正電極セル
６負極リード端子
７正極リード端子
８巻回素子本体

Claims

正電極および負電極が各々、集電電極と、該集電電極の片面に活性炭からなる分極性電極層を形成し、該集電電極にリード端子を固着して構成され、
２つの正電極の集電電極側を向き合わせた正電極セルと、同様に２つの負電極の集電電極側を向き合わせた負電極セルとを形成し、
上記正電極セルおよび負電極セルを、セパレータを介して巻回または積層したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１記載の集電電極の厚さが０．０１５〜０．１１０ｍｍ、分極性電極層の厚さが０．０１０〜０．５００ｍｍであることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
請求項１記載の集電電極にリード端子を固着する手段がコールド加締、針穴加締、超音波溶接、または抵抗溶接であることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
請求項１記載のリード端子の固着箇所を複数箇所設けたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。