JP2005268468A - 電気二重層キャパシタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部抵抗が小さく、容量の大きな電気二重層キャパシタを、特性バラツキが少なく低コストで製造する。
【解決手段】 電気二重層キャパシタを最終封止する工程よりも前に、充電及び放電を行う工程を設けた。また、充電及び放電工程の前に、当該電気二重層キャパシタを仮封止する工程を設け、充電及び放電工程の後に、電解液を交換する工程を設けた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電気二重層キャパシタの製造方法に関するものである。

電気二重層キャパシタは、分極性電極に水分などの有害成分が残留している場合、製品完成後の電圧印加による充電の際、前記有害成分に起因するガスが発生し、内圧上昇に伴う外装体の膨張、内部抵抗の上昇、容量低下などの不具合が生じることがしられている。そのため、封止前の電極に電圧を印加し、予めガスを発生させて除去することが行われている（例えば特許文献１参照）。さらに、電圧印加により劣化した可能性のある電解液を交換するとともに、電解液の交換を充電状態で行い、イオン濃度増大による容量増加、内部抵抗低減効果があるとしている（例えば特許文献２参照）。
特開平７−２２２９５号公報（第２〜３頁、第２図） 特開２０００−２００７３９号公報（第４頁、第１図）

従来の製造方法では、電極などに残留する水分などを分解除去するために、電極に電圧印加して充電を行ってから電気二重層キャパシタの組立を行っていた。

しかし、電極が充電により膨張した状態のままで封止されるため、製品完成後の放電によって電極が収縮することで各部の接触状態が悪化し、内部抵抗の増加が生じて容量が小さくなるとの問題が生じていた。また、電解液注入後に封止していない状態で製品を取り扱わなければならないため、電解液がこぼれないような注意が必要なほか、製品を水分などの有害成分に極力触れさせないために、部材の乾燥以降の工程は、ドライルームなどの特殊雰囲気下で行わなければならず、ランニングコストの増大を招き、製造コスト増の要因となる。さらに、特許文献２のように、充電状態で電解液を交換すれば、電極に吸着した残留イオンの量が一定せず、電解液イオン濃度のバラツキとなり、特性バラツキの要因となる。

本発明では、上記従来技術の問題点を解決し、内部抵抗が小さく、容量の大きな電気二重層キャパシタを低コストで製造する方法の提供を目的とする。

本発明では、電気二重層キャパシタを最終封止する工程よりも前に、当該電気二重層キャパシタに対して充電及び放電工程を設け、電極が膨張していない状態で封止できるようにした。また、充電及び放電工程の前に、当該電気二重層キャパシタを仮封止する工程を設け、充電及び放電工程を通常雰囲気下で容易に取り扱えるようにした。さらに、充電及び放電工程の後に、電解液を交換する工程を設け、電解液イオン濃度のバラツキを極力抑えた。

本発明による電気二重層キャパシタの製造方法は、放電による電極収縮後に封止するため、内部抵抗が小さく、容量の大きな電気二重層キャパシタを製造することができる。また、仮封止することにより、充電及び放電工程を通常雰囲気下で行えるようにして製造コストを低減させ、取り扱いも容易にすることができる。さらに、放電後に電解液を交換することにより、電解液イオン濃度のバラツキを押さえ、特性バラツキを低減させることができるという効果がある。

本発明による電気二重層キャパシタの製造方法では、製品を最終封止する前に、充電及び放電工程を設けた。充電工程における諸条件は、つぎの通りである。印加電圧は、電気二重層キャパシタの使用電圧以上であって、かつ電解液の分解電圧未満であることが望ましい。通常の非水系電解液の場合には２．７〜３．５Ｖの範囲内である。印加時間は、電極体積に応じて調整すれば良いが、できるだけ長時間であることが望ましい。但し、あまり長時間過ぎると製造コスト増の要因となるため、通常は１〜５時間程度で良い。雰囲気温度は、高温状態で行うことが望ましく、６０〜８０℃程度が良い。充電工程の後に行う放電工程では、放電できれば手段は特に限定しないが、通常は製品をショートさせることで行う。その際、できるだけ完全に放電させることが望ましく、通常は０．５Ｖ以下まで放電させる。充電及び放電工程は、それぞれ独立に行っても良いが、両方行える装置で連続的に処理しても良い。

また、充電及び放電工程の前に、製品を仮封止する工程を設けた。従来は、充電工程は封止工程の前に行われるため、充電工程の雰囲気に注意が必要となるほか、電解液がこぼれないように注意して取り扱う必要がある。たとえば、通常の非水系電解液を使用する場合は、水分の浸入を嫌うために、ドライルーム内での処理が必要となる。しかしながら、充電及び放電装置をドライルーム内に設置するには、大きなスペースを必要とし、ドライルームを運転するランニングコストの増大を招く。そこで、製品を仮封止してしまえば、雰囲気に影響されることなく処理することができ、充電及び放電装置も通常雰囲気下に設置できる。ここで仮封止とは、製品を完成状態と同じ状態に封止する最終封止工程以前に、完成状態とは寸法、形状などの一部が異なる状態に封止することをいう。したがって、本発明における電気二重層キャパシタの場合、外装体は仮封止できる構造であることが必要である。例えば、外装体がラミネートフィルムなどの場合、最終形状よりも寸法の大きなラミネートフィルムを用い、充電及び放電工程の後にラミネートフィルムを切断して開口、その後に最終封止できるようにすれば良い。また、外装体が金属ケースなどの場合は、発生ガス排出や電解液交換のための専用孔を設け、そこに仮封止及び最終封止できる構造体を付与すれば良い。

さらに、充電及び放電工程の後に、電解液を交換する工程を設けた。充電状態で電解液を交換すると電極には電解液中のイオンが吸着したままの状態であるが、この状態で電解液を交換すれば残留イオン量が一定しないため、電解液濃度にもバラツキが生じる。そこで、充電の後に放電することで、電極に吸着したイオンを電解液中に戻し、残留イオンによる電解液濃度への影響を抑えた。

なお、本発明における電気二重層キャパシタの製造方法は、一般的な電気二重層キャパシタに適用でき、その構成要素が限定されることはない。例えば、一般的な電気二重層キャパシタは、電極、集電体、セパレータ、電解液、外装体で構成され、各構成要素は次のようなものが使用される。

電極は、主として炭素材料、導電材料、バインダーで構成され、炭素材料にはやし殻系活性炭やフェノール系活性炭などが用いられる。また、導電材料には、カーボンブラックや天然黒鉛など、バインダーには、ポリテトラフルオロエチレンやフッ化ビニリデン共重合体などが用いられる。電極は、上記材料の混練物をシート状に加工して集電体に貼り付けたり、集電体に直接塗布して作製されることが多い。

集電体は、アルミニウムやステンレスなどが用いられ、外装体が金属ケースの場合、金属ケースが集電体を兼ねても良い。

セパレータは、ガラス繊維などからなる不織布やポリオレフィン多孔質フィルムなどが用いられる。

電解液は、水系電解液と非水系電解液に区分され、水系電解液では硫酸水溶液などが用いられる。また、非水系電解液では、プロピレンカーボネートなどを溶媒とし、アンモニウム塩やホスホニウム塩などを溶質としたものが用いられる。

外装体は、ラミネートフィルムや金属ケースなど使用され、ラミネートフィルムではアルミニウムと樹脂層からなるものが一般的であり、金属ケースはアルミニウムやステンレスなどが多く用いられる。
以下、本発明による実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の電気二重層キャパシタ素子を示した図であり、一部がリード端子１０４を兼ねるアルミニウムの集電体１０１に担持された１対の電極１０２を電極面が対向するように配置し、電極間にセパレータ１０３を挿入して、電気二重層キャパシタ素子を作製した。ここで、図１は図３をＡ方向から見た場合の図であり、図２は図３をＢ方向から見た場合の図である。この時の各部材は、アルミニウムの集電体１０１が厚み３０μｍの軟質アルミニウム箔、電極１０２が寸法２２ｍｍ×１０ｍｍ×８０μｍ、容量約１６Ｆ／ｃｃの活性炭電極シート、セパレータ１０３が厚み２５μｍのポリオレフィン多孔質フィルムである。さらに、図４に示すように、この電気二重層キャパシタ素子をラミネートフィルム外装体１０５にセットしてヒートシール部１０６を封止した。次に、非水系電解液注入して含浸させた後、充電装置にセットして充電した。充電条件は、２．８Ｖ、３時間、７０℃とした。さらに、リード端子間をショートさせ、０．１Ｖ以下まで放電させた。その後、最終封止部１０７をヒートシールして最終封止し、サンプルＡを作製した。また、同様の手順で、放電処理を行わずにサンプルＢを作製した。

作製したサンプルの内部抵抗及び容量を測定したところ、表１に示すように、放電処理を行ったサンプルＡの方が、内部抵抗が小さく容量も大きいのに対し、放電処理を行わなかったサンプルＢの方は、内部抵抗及び容量のバラツキが大きく、内部抵抗が大きく容量の小さいものが多数あった。したがって、放電工程を追加することにより、内部抵抗が小さく、容量の大きな電気二重層キャパシタを製造することができる。

ドライルーム内において、実施例１と同様の手順で電気二重層キャパシタ素子を作製した。さらに、図５に示すように、この電気二重層キャパシタ素子を最終形状よりも寸法の大きなラミネートフィルム外装体１０５にセットしてヒートシール部１０６を封止した。次に、非水系電解液注入して含浸させた後、仮封止部１０８をヒートシールして仮封止した。この電気二重層キャパシタをドライルーム外へ出し、充電装置にセットして充電した。充電条件は、２．８Ｖ、３時間、７０℃とした。さらに、リード端子間をショートさせ、０．１Ｖ以下まで放電させた。その後、再びドライルーム内で仮封止部１０８付近を切断して、内部発生ガス等を排出させ、最終封止部１０７をヒートシールして最終封止してサンプルＣを作製した。

作製したサンプルの内部抵抗及び容量を測定したところ、表１に示すように、サンプルＡと同等であった。したがって、仮封止工程を追加することによって、製造コストを低減させ、取り扱いも容易にすることができる。

実施例２と同様の手順で放電処理まで行ったサンプルに対し、再びドライルーム内で仮封止部１０８付近を切断し、電解液を排出させた。さらに、新しい電解液を注入して電解液を交換した後、最終封止部１０７をヒートシールして最終封止してサンプルＤを作製した。

作製したサンプルの内部抵抗及び容量を測定したところ、表１に示すように、サンプルＤは、サンプルＡよりもさらにバラツキが少なかった。したがって、放電工程後に電解液交換工程を追加することによって、特性バラツキを低減させることができる。

本発明の製造方法によれば、内部抵抗が小さく、容量の大きな電気二重層キャパシタを低コストで製造できる。

本発明の電気二重層キャパシタ素子である（図３をＡ方向から見た図）。 本発明の電気二重層キャパシタ素子の断面図である（図３をＢ方向から見た図）。 本発明の電気二重層キャパシタ素子である。 本発明の電気二重層キャパシタである。 本発明の電気二重層キャパシタである。

符号の説明

１０１ 集電体
１０２ 電極
１０３ セパレータ
１０４ リード端子
１０５ ラミネートフィルム外装体
１０６ ヒートシール部
１０７ 最終封止部
１０８ 仮封止部

Claims (5)

1. 電気二重層キャパシタを最終封止する工程よりも前に、当該電気二重層キャパシタに対して充電及び放電工程を設けたことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
2. 充電及び放電工程の前に、当該電気二重層キャパシタを仮封止する工程を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
3. 充電及び放電工程の後に、電解液を交換する工程を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。
4. 電気二重層キャパシタを仮封止する仮封止工程と、仮封止した前記電気二重層キャパシタを充電する充電工程と、仮封止した前記電気二重層キャパシタを放電させる放電工程からなる電気二重層キャパシタの製造方法。
5. 電気二重層キャパシタを仮封止する仮封止工程と、仮封止した前記電気二重層キャパシタを充電する充電工程と、仮封止した前記電気二重層キャパシタを放電させる放電工程と、前記電気二重層キャパシタの電解液を交換する電解液交換工程からなる電気二重層キャパシタの製造方法。

Images