JP2005327760A - Electric double-layer capacitor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属ケースに巻回型のキャパシタ素子を封入した構造の電気二重層キャパシタに関し、特に耐震性の向上を図った電気二重層キャパシタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electric double layer capacitor having a structure in which a winding type capacitor element is enclosed in a metal case, and more particularly to an electric double layer capacitor with improved seismic resistance and a method for manufacturing the same.
電気二重層キャパシタは、電荷を有する固体と、それに接触する電解液の界面に形成される、厚さ数nm程度の電気二重層を、誘電体として利用したものである。電気二重層の容量は、1cm2あたり数十μFであるが、表面積が数千m2にも及ぶ活性炭を電極として用いることにより、数百〜数千Fの極めて大きな容量を得ることが可能である。 The electric double layer capacitor uses an electric double layer having a thickness of about several nanometers, which is formed at the interface between a charged solid and an electrolyte solution in contact therewith, as a dielectric. The capacity of the electric double layer is several tens of μF per 1 cm 2 , but it is possible to obtain an extremely large capacity of several hundred to several thousand F by using activated carbon having a surface area of several thousand m 2 as an electrode. is there.
そして、電気二重層キャパシタは、下記のような特徴を有し、実用に供されるとともに、さらなる性能向上のための検討がなされている。
(1)充放電サイクルに伴う容量の劣化が少ない。
(2)一般的な電池に比較して、起動後に瞬時に大きな出力を取り出せる。
The electric double layer capacitor has the following characteristics and is put into practical use, and studies for further performance improvement have been made.
(1) There is little deterioration of the capacity accompanying a charge / discharge cycle.
(2) Compared with a general battery, a large output can be taken out instantly after startup.
現用の電気二重層キャパシタで、小型のものは、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の集電体の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップとガスケットにより金属容器に密封したコイン型の構造をとっている。 A small-sized electric double layer capacitor in use is an element in which a separator made of polypropylene nonwoven fabric is sandwiched between a pair of current collectors having a polarizable electrode layer mainly composed of activated carbon on the surface. It is impregnated with an electrolytic solution, accommodated in a metal container, and has a coin-type structure sealed in a metal container with a cap and a gasket.
また、比較的大容量のものとして、帯状の導電体からなる集電体の表面に分極性電極層を形成した正負一対の電極体と、電極体の間に介在するセパレータを渦巻状に巻き回してキャパシタ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層キャパシタが製造されている。 In addition, as a relatively large capacity, a pair of positive and negative electrode bodies in which a polarizable electrode layer is formed on the surface of a current collector made of a strip-shaped conductor and a separator interposed between the electrode bodies are wound in a spiral shape. As a capacitor element, a wound type electric double layer capacitor is manufactured in which the element is impregnated with an electrolytic solution, accommodated in a metal container, and the opening of the container is sealed with a cap.
この他に、小型化、薄型化を目的に、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを複数枚積層して、扁平な直方体のケースに封入した、角型の電気二重層キャパシタも製造されている。そして、これらの電気二重層キャパシタは主にICメモリのバックアップやアクチュエータのバックアップに使用されている。 In addition, for the purpose of miniaturization and thinning, a rectangular electric double layer capacitor is also manufactured, in which a plurality of sheet-shaped polarizable electrodes, current collectors, and separators are stacked and enclosed in a flat rectangular parallelepiped case. Has been. These electric double layer capacitors are mainly used for IC memory backup and actuator backup.
図3は、従来の巻回型キャパシタ素子の構成を模式的に示す斜視図である。図3において、31は正極側集電体、32は正極側分極性電極層、33は負極側集電体、34は負極側分極性電極層、35はセパレータ、36は正極側タブ端子、37は負極側タブ端子である。 FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration of a conventional wound capacitor element. In FIG. 3, 31 is a positive electrode side current collector, 32 is a positive electrode side polarizable electrode layer, 33 is a negative electrode side current collector, 34 is a negative electrode side polarizable electrode layer, 35 is a separator, 36 is a positive electrode side tab terminal, 37 Is a negative-side tab terminal.
図3における正極側集電体31、負極側集電体33は、アルミニウム箔からなり、表面にエッチングを施して用いる。また、正極側分極性電極層32と負極側分極性電極層34は、活性炭粉末と導電性補助剤及びバインダを混練した混和物を塗布して形成される。
The positive electrode side
そして、分極性電極層を形成していない面に、正極側タブ端子36と負極側タブ端子37をかしめにより接続し、正極側分極性電極層32と負極側分極性電極層34を、セパレータ35を介して対向配置し、さらに負極側集電体33の露出面にセパレータ35を配置して巻き回し、巻回型キャパシタ素子とする。
Then, the positive electrode
このようにして得られた巻回型キャパシタ素子は、そのまま放置すると、巻き回した状態が緩んでしまうので、何らかの拘束手段を講じる必要がある。例えば特許文献1には、巻回型キャパシタ素子の外周に粘着テープを貼り付けて、緩みを抑制する技術が開示されている。 If the wound capacitor element obtained in this way is left as it is, the wound state is loosened, and it is necessary to take some restraining means. For example, Patent Document 1 discloses a technique for suppressing loosening by attaching an adhesive tape to the outer periphery of a wound capacitor element.
図4は、巻回型キャパシタ素子の外周に粘着テープを巻き回した後、金属ケースに封入し、封口などの後処理を施した、従来の電気二重層キャパシタの断面図である。図4において、41は巻回型キャパシタ素子、42は粘着テープ、43は正極側タブ端子、44は負極側タブ端子、45は金属ケース、46はゴムキャップである。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional electric double layer capacitor in which an adhesive tape is wound around the outer periphery of a wound capacitor element, then sealed in a metal case, and subjected to post-processing such as sealing. In FIG. 4, 41 is a wound capacitor element, 42 is an adhesive tape, 43 is a positive side tab terminal, 44 is a negative side tab terminal, 45 is a metal case, and 46 is a rubber cap.
図4に示したように、巻回型キャパシタ素子41を金属ケース45に装入した後、電解液を注入し、正極側タブ端子43と負極側タブ端子44を貫通させて、ゴムキャップ46を取り付け、金属ケース45の開口部にカーリング加工を施して封止するというのが、巻回型キャパシタ素子を有する電気二重層キャパシタの、一般的な製造方法である。
As shown in FIG. 4, after the winding
また、この場合は、巻回型キャパシタ素子41に接続されたタブ端子が、ゴムキャップによって固定されるので、巻回型キャパシタ素子41も間接的にではあるが、金属ケース45の中で位置が固定されることになり、これによって、振動など外部から加わる力で、巻回型キャパシタ素子41が損傷を受けるのを防止している。
In this case, since the tab terminal connected to the
また、特許文献2には、金属ケース内における、巻回型キャパシタ素子の位置の固定を確実に行うために、金属ケース側と巻回型キャパシタ素子側のいずれにも、固定用の部材を設ける技術が開示されている。 Further, in Patent Document 2, a fixing member is provided on both the metal case side and the wound capacitor element side in order to securely fix the position of the wound capacitor element in the metal case. Technology is disclosed.
しかしながら、特許文献1に開示されているように、タブ端子の固定によって巻回型キャパシタ素子を間接的に固定する方法では、巻回型キャパシタ素子の金属ケースにおける底部側の端部には、何ら拘束手段が施されていないので、振動や衝撃を繰り返し受けているうちに、巻回型キャパシタ素子自体の損傷や、タブ端子の変形や亀裂が発生し、キャパシタ特性の劣化が起こる可能性がある。 However, as disclosed in Patent Document 1, in the method of indirectly fixing the wound capacitor element by fixing the tab terminal, there is no effect on the bottom end of the metal case of the wound capacitor element. Since there is no restraining means, damage to the wound capacitor element itself, deformation or cracking of the tab terminal may occur during repeated vibration and impact, and capacitor characteristics may deteriorate. .
また、特許文献2に開示されている技術では、巻回型キャパシタ素子の固定は確実に行われるものの、部品数が増加し、それに伴って組立の工数も増加することになり、結果的に製造コストを押し上げることになる。 In addition, in the technique disclosed in Patent Document 2, although the winding capacitor element is securely fixed, the number of parts increases, and as a result, the number of man-hours for assembly increases, resulting in manufacturing. This will increase costs.
従って、本発明の課題は、巻回型キャパシタ素子を金属ケースに封入する構造の電気二重層キャパシタにおいて、部品数の大幅な増加に繋がらない、簡略な巻回型キャパシタ素子の固定方法と、それを用いることによって、外力に対する信頼性を向上した電気二重層キャパシタ及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a simple method for fixing a wound capacitor element that does not lead to a significant increase in the number of components in an electric double layer capacitor having a structure in which the wound capacitor element is enclosed in a metal case. It is an object of the present invention to provide an electric double layer capacitor with improved reliability against external force and a method for manufacturing the same.
本発明は、前記課題の解決のため、巻回型キャパシタ素子の巻きの緩み防止と、金属ケース内における位置固定を同時に行える構造を検討した結果なされたものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention has been made as a result of studying a structure capable of simultaneously preventing the loosening of the winding capacitor element and fixing the position in the metal case.
即ち、本発明は、帯状の導電体からなる集電体の表面に分極性電極層が形成された正負一対の電極体と、前記正負一対の電極体の間に介在するセパレータとを渦巻状に巻き回したキャパシタ素子を、電解液とともに金属ケースに封入した構造を有する電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子と前記金属ケースとの間に、少なくとも一部が前記キャパシタ素子の外周と前記金属ケースの内周に接した状態の、形状記憶合金からなる固定部材が配置されていることを特徴とする電気二重層キャパシタである。 That is, the present invention spirally forms a pair of positive and negative electrode bodies in which a polarizable electrode layer is formed on the surface of a current collector made of a strip-shaped conductor, and a separator interposed between the pair of positive and negative electrode bodies. In an electric double layer capacitor having a structure in which a wound capacitor element is enclosed in a metal case together with an electrolytic solution, at least a part of the outer circumference of the capacitor element and the metal case are between the capacitor element and the metal case. An electric double layer capacitor characterized in that a fixing member made of a shape memory alloy in contact with the inner periphery is disposed.
また、本発明は、帯状の導電体からなる集電体の表面に分極性電極層を形成して正負一対の電極体を得る工程と、間にセパレータを介在させた状態で、前記正負一対の電極体を渦巻状に巻き回してキャパシタ素子を得る工程と、前記キャパシタ素子の外周に、形状記憶処理を施した形状記憶合金からなるリング状の固定部材を配置した状態で、金属ケースに挿入する工程と、前記固定部材の形状回復により、前記固定部材の少なくとも一部が前記キャパシタ素子の外周を押圧するとともに、前記固定部材の少なくとも一部が前記金属ケースの内周に接することで、前記キャパシタ素子を前記金属ケース内に固定する工程を有す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。 The present invention also includes a step of forming a polarizable electrode layer on the surface of a current collector made of a strip-shaped conductor to obtain a pair of positive and negative electrodes, and a pair of positive and negative with the separator interposed therebetween. A process of obtaining a capacitor element by winding the electrode body in a spiral shape, and a ring-shaped fixing member made of a shape memory alloy subjected to a shape memory process being arranged on the outer periphery of the capacitor element, and inserted into a metal case And at least part of the fixing member presses the outer periphery of the capacitor element and at least part of the fixing member contacts the inner periphery of the metal case by the process and the shape recovery of the fixing member. It is a manufacturing method of the electric double layer capacitor characterized by having the process of fixing an element in the said metal case.
本発明に用いる固定部材は、形状記憶合金で構成されるので、巻き回した直後の巻回型キャパシタ素子を装入し、形状回復処理を行うことで、巻回型キャパシタ素子の外周を拘束し、しかも固定部材の少なくとも一部が、金属ケースの内周に接触した状態となる。このために巻回型キャパシタ素子を金属ケースで固定したのと同等の効果が得られ、電気二重層キャパシタの信頼性を向上することができる。 Since the fixing member used in the present invention is made of a shape memory alloy, the outer periphery of the wound capacitor element is restrained by inserting the wound capacitor element immediately after winding and performing a shape recovery process. And at least one part of a fixing member will be in the state which contacted the inner periphery of the metal case. For this reason, the same effect as that obtained by fixing the wound capacitor element with the metal case can be obtained, and the reliability of the electric double layer capacitor can be improved.
また、基本的に必要な部品は固定部材のみであり、固定に要する操作も固定部材の形状回復のみなので、製造コストを押し上げることが極めて少ない。 In addition, basically, only the fixing member is necessary, and the operation required for fixing is only recovery of the shape of the fixing member, so that the manufacturing cost is hardly increased.
本発明に用いられる固定部材は、基本的に形状記憶合金で構成された環状であれば良く、線材で構成されるリング状であっても、円筒状であっても使用できる。また、形状記憶合金として多数の材質が実用化されているが、形状回復が起こる温度が過度に高いものでは、巻回型キャパシタ素子を熱によって損なう可能性があるので、この点を考慮して選択する必要がある。 The fixing member used in the present invention may be basically an annular shape made of a shape memory alloy, and can be used in a ring shape made of a wire or a cylindrical shape. In addition, many materials have been put into practical use as shape memory alloys. However, if the temperature at which shape recovery occurs is excessively high, the wound capacitor element may be damaged by heat. Must be selected.
具体的には、変態温度が室温近傍から100℃前後まで調整可能な、チタン−ニッケル系の合金などが好適に使用できる。なお、巻回型キャパシタ素子には従来の材料や製法によるものがそのまま使用できる。 Specifically, a titanium-nickel alloy whose transformation temperature can be adjusted from around room temperature to around 100 ° C. can be suitably used. Note that conventional materials and manufacturing methods can be used as they are for the wound capacitor element.
このような固定構造のため、振動によるリード端子の曲がりや折れを防止することができ、電気二重層キャパシタの耐震性を向上させることができる。 Such a fixing structure can prevent the lead terminal from being bent or bent due to vibration, and can improve the earthquake resistance of the electric double layer capacitor.
次に具体的な例を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの一部破砕斜視図である。図1において、11は巻回型キャパシタ素子、12は正極側タブ端子、13は負極側タブ端子、14はゴムキャップ、15は金属ケース、16は固定部材である。 Next, specific examples will be given to describe embodiments of the present invention. FIG. 1 is a partially broken perspective view of an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 11 is a wound capacitor element, 12 is a positive side tab terminal, 13 is a negative side tab terminal, 14 is a rubber cap, 15 is a metal case, and 16 is a fixing member.
前記のように、巻回型キャパシタ素子11には従来の構成のものが使用可能である。ここでは集電体として厚さが50μmのアルミニウム箔を用い、分極性電極層には活性炭粉末に、導電性補助剤としてケッチェンブラックと、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンを加えて混練した混和物を用いた。また、セパレータにはポリプロピレンの不織布を用いた。
As described above, the
このような構成の正負の電極体に、正負のタブ端子を取り付けた後、セパレータを介在させて巻き回し、巻回型キャパシタ素子11を得た。そして、固定部材16にはチタン−ニッケル系の合金を用い、巻回型キャパシタ素子11を内部に挿通し、金属ケース15に装入した後、形状回復処理を行った。
Positive and negative tab terminals were attached to the positive and negative electrode bodies having such a configuration, and then wound with a separator interposed therebetween to obtain a
図2は、巻回型キャパシタ素子を固定部材に挿通した状態を示す図で、図2(a)は挿通直後の状態、図2(b)は固定部材の形状回復処理を行った後の状態である。図2において、21は正極側電極体、22は負極側電極体、23は正極側タブ端子、24は負極側タブ端子、25は金属ケース、26aは巻回型キャパシタ素子を挿通した直後の固定部材、26bは形状回復処理を行った後の固定部材である。
2A and 2B are views showing a state in which the wound capacitor element is inserted through the fixing member. FIG. 2A is a state immediately after insertion, and FIG. 2B is a state after the shape recovery process of the fixing member is performed. It is. In FIG. 2, 21 is a positive electrode body, 22 is a negative electrode body, 23 is a positive side tab terminal, 24 is a negative side tab terminal, 25 is a metal case, and 26a is fixed immediately after the winding capacitor element is inserted. The
この後、電解液を注入し、ゴムキャップを取り付けて封口加工を行い、電気二重層キャパシタを得た。なお、電解液としては、プロピレンカーボネートにテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを、1モル/リットルの濃度で溶解した溶液を用いた。 Then, electrolyte solution was inject | poured, the rubber cap was attached, the sealing process was performed, and the electric double layer capacitor was obtained. As the electrolytic solution, a solution in which tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved in propylene carbonate at a concentration of 1 mol / liter was used.
図2(b)に示したように、固定部材26bは、形状回復処理により、金属ケース25の内周と巻回型キャパシタ素子の外周の、いずれにも接する状態で配置されていることから、外力による巻回型キャパシタ素子の移動が極めて起こり難いので、振動などによる損傷が極めて少なくなる。このため、本発明の電気二重層キャパシタの信頼性は、従来よりも向上したものとなる。
As shown in FIG. 2 (b), the fixing
11,41 巻回型キャパシタ素子
12,23,36,43 正極側タブ端子
13,24,37,44 負極側タブ端子
14,46 ゴムキャップ
15,25,45 金属ケース
16,26a,26b 固定部材
21 正極側電極体
22 負極側電極体
31 正極側集電体
32 正極側分極性電極層
33 負極側集電体
34 負極側分極性電極層
35 セパレータ
42 粘着テープ
11, 41 Winding
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