JP2006049670A - 電気化学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化かつ電気特性に優れたラミネート外装構造の電気化学素子を提供する。
【解決手段】 積層セルを２個以上横に並べて配置した複合セル６の上下面に、導電性ペースト１３を重ねて、その外側に外装フィルム７を配置し、複合セル６と重ならない大きさの端子板１２を、一部が導電性ペーストと接触し導通を保ち、一部が外部に取り出されて、電極端子８となるように配置する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電気化学素子、特に電気二重層コンデンサ素子の外装構造に関するものである。

電気二重層コンデンサは、電荷の蓄積に分極性電極と電解質の界面に生じる電気二重層を利用したコンデンサであり、この電気二重層の厚さが数ナノメートルと非常に小さく、かつ、活性炭のような比表面積の大きな材料が分極性電極に用いられることによって、大容量を実現してきた。電気二重層コンデンサは、構成材料に重金属などの有害物質を使用していないことから環境汚染の危険性がなく、さらに二次電池のように化学反応を伴わないことから充放電サイクル寿命に優れているといった特徴がある。このため、電気二重層コンデンサは、二次電池の代替デバイスとして、マイコンやメモリーなどのバックアップ電源として広く用いられるようになった。

近年においては、電気二重層コンデンサの特徴を活かし、電気自動車などのモーター駆動用エネルギー源あるいはエネルギー回生システムとして、また携帯電話等の小型電子機器の補助電源等としての新しい用途が検討され、また実用化されており、電気二重層コンデンサの大容量化、および電子機器の小型化に対応した形状が望まれている。

電気二重層コンデンサに要求されている課題の一つに、携帯電話等の小型電子機器の補助電源等として素子の薄型化がある。その要求に対して、ラミネート外装構造による素子の薄型化がなされてきた。一般的なラミネート外装構造で、内部で単位セルを２並列３直列接続させた電気二重層コンデンサを以下に図面を参照して説明する。

図１に、基本的な電気二重層コンデンサの単位セルの断面図を示す。図１に示されるように、電気二重層コンデンサの単位セル５は、電解質を添加した分極性電極１を多孔性で絶縁性のセパレータ２の両側に配し、絶縁性のガスケット３で周囲を覆い、上下が集電体４で挟まれた構造である。

分極性電極１は、椰子殻系に代表される活性炭と、導電性を確保するためのカーボン、及びバインダから成り、電解質を添加している。電解質には希硫酸、水酸化カリウムなどの水溶液系の電解液やプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトンの電解液に第４級アンモニウム塩などの電解質塩を溶解させた有機系の電解液が用いられる。セパレータ２は多孔質を有するフィルムであり、例えばポリテトラフルオロエチレン系フィルムやポリオレフィン系フィルムが用いられる。ガスケット３はセル内の絶縁を確保するためのものであり、例えばブチルゴムや熱可塑性樹脂が用いられる。集電体４は、導電性を有するゴムまたはエラストマが用いられる。

通常は、この単位セル５を要求される耐電圧に応じて、単数もしくは複数を積層した積層セルとして用いられる。図２に、電気二重層コンデンサの複合セルの断面図を示す。図２に示す複合セル６は、単位セル５を２並列３直列に並べたものであり、単位セル５を３層積層した積層セルを２列に並べたものである。このように、薄型化を優先させる場合は、単位セル５を６層積層するよりも、３層積層して並列に並べる方が有利である。ただし、単位セルを直列に積層した場合と異なり、積層セルを２並列した複合セル６の場合は外部で電気的に直列に接続する必要がある。

図３は、ラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ製品の外観図であり、図３（ａ）に平面図、図３（ｂ）に側面図を示す。上記単位セル５を所定の電圧に応じて複数層重ねて並列させた複合セル６を用い、外部に取り出す電極端子８を設けて、外装フィルム（ラミネートフィルム）７で外装を施すことにより、図３に示すような、電気二重層コンデンサの製品が製造される。

図４は、従来のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの説明図で、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は電極端子側の外装フィルムに端子板をセットした状態を示す説明図、図４（ｃ）はセル導通側の外装フィルムに端子板をセットした状態を示す説明図である。図４に示すように、従来のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサは、複合セル６の上下面に、導電性ペースト９を介して端子板１０，１２を重ねて、その外側に外装フィルム７を配置し、端子板１２の一部が外部に取り出されて、電極端子８が形成された構造である。製造の際は、図４（ｂ）に示す外装フィルム７に先端が電極端子８となる端子板１２を２個配置し、夫々の端子板１２に導電性ペースト９を施した電極端子側の外装フィルム体１１４と、図４（ｃ）に示す外装フィルム７に単位セル間を接続させる端子板１０を配置し、端子板１０に導電性ペースト９を施したセル導通側の外装フィルム体１１５の間に複合セル６を挟み、外装フィルム７の周囲を圧着してシーリングを施されて、電気二重層コンデンサ製品となる。

端子板１０，１２上の導電性ペースト９は、複合セル６と端子板１０，１２の導通を確実にするために用いられており、端子板１０，１２と複合セル６との接触が充分であれば、必ずしも必要ではない。また、外装フィルム７は、内面に熱可塑性樹脂を配する金属箔との複合フィルムなどが用いられている。ラミネート外装構造の電気二重層コンデンサは、例えば特許文献１に記載されている。また、特許文献２には単位セルの多数個を並列に並べ、金属箔リードを用いて電気的に直列に接続した電気二重層コンデンサが記載されている。

特開２００２−１７０５５２号公報 特開昭５７−１２５１５号公報

近年、一層の薄型化の要求があるが、これに応えるために、従来構造のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの各部品の薄型化を検討した。しかしながら、外装フィルムについては、外装フィルム材のアルミニウム箔を薄くすれば外装フィルムの強度低下がおこり、また内面の融着層を薄くすると、端子取り出し部等での封止性低下のおそれがあり、製品の安定性、信頼性が低下するという問題がある。また積層セルについては、集電体薄型化は、ガス透過性の増大による長期信頼性低下、セパレータの薄型化は、正極負極間の短絡のおそれがあるため限度があり、根本的な電気二重層コンデンサの容量増加がなされない限り、これ以上の薄型化は困難である。

また、従来例では、電極端子８及び積層セル間の接続に端子板１０，１２を使用しており、各種の直並列に対応するような電極端子及び端子板を設計製作の必要があり、金型等初期の投資費用がかかるという問題点があった。また組立においても直並列接続が複雑になるため組立が困難であるという問題点があった。

本発明は、上記の薄型化の問題を解決すべくなされたものであり、特に、薄型かつ電気特性・信頼性に優れたラミネート外装構造の電気二重層コンデンサに代表される電気化学素子を提供することを目的とする。

セパレータと同セパレータを介して対向する一対の多孔質である分極性電極からなる単位セル又は単位セルを直並列接続構成した複合セルの外側に外装フィルム及び電極端子を配置する電気化学素子において、外装フィルム内面に導電層を有し、導電層を介して単位セル又は複合セル間を接続し、電極端子の接続は導電層を介して行い、またセパレータを介して分極する二極の分極性電極の内部に電解質を含浸した電気化学素子を提供することにより解決する。

本発明によれば、板状の単位セルを単数もしくは複数積層した積層セルが２個以上横に並べて配置され、外装フィルムで覆われると共に積層セルの側方に電極端子を形成してなる電気化学素子において、外装フィルム内に積層セルと積層されないように前記積層セルの側方に配置した端子板の一部を電極端子とし、積層セルと端子板間の電気的接続は導電性ペーストを介した電気化学素子が得られる。

また、本発明によれば、２個以上横に並べられた積層セルが、電気的に直列接続されている電気化学素子が得られる。

また、本発明によれば、直列接続が、積層セルと積層される端子板を用いずに、導電性ペーストを介してなされた電気化学素子が得られる。

また、本発明によれば、単位セルは、セパレータを介して分極する二極の分極性電極の内部に電解質を含浸した電気二重層コンデンサのセルである電気化学素子が得られる。

外装フィルム内面に導電性ペーストを施し積層セルに重なる端子板を用いないことで、端子板厚み分の薄型化が可能となり、従来より薄型で、しかも従来以上の信頼性の電気二重層コンデンサに代表される電気化学素子を提供することができる。また、端子板を用いず、ラミネートフィルム内面に導電性ペーストの印刷で対応できるので、内部での直並列のアレンジが容易となり、コスト面製造面においても優れた電気二重層コンデンサに代表される電気化学素子を提供することができる。

電気化学素子として、電気二重層コンデンサを例として説明する。電気二重層コンデンサの単位セルの構造は、従来と同じものが使用できる。図１に示されるように、電気二重層コンデンサの単位セル５は、電解質を添加した分極性電極１を多孔性で絶縁性のセパレータ２の両側に配し、絶縁性のガスケット３で周囲を覆い、上下が集電体４で挟まれた構造が一般的である。電気二重層コンデンサには、図２に示されるように、耐電圧に合わせて板状の単位セル５を複数層積層した積層セルを必要数だけ、平面的に横に並べた複合セル６が用いられる。もちろん、単位セル５が１層のみの積層セルを必要数だけ、平面的に横に並べても良く、この構成が最も薄型となる。

従来と同様、分極性電極１は、椰子殻系に代表される活性炭と、導電性を確保するためのカーボン、及びバインダから成るものが一般的であり、電解質を添加して用いる。電解質には希硫酸、水酸化カリウムなどの水溶液系の電解液やプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトンの電解液に第４級アンモニウム塩などの電解質塩を溶解させた有機系の電解液が用いられる。セパレータ２は多孔質で絶縁性のフィルムであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン系フィルムやポリオレフィン系フィルムが用いられる。ガスケット３はセル内の絶縁を確保するための物であり、例えば、ブチルゴムや熱可塑性樹脂が用いられる。集電体４は、導電性を有するゴムまたはエラストマが用いられる。

図５は、本発明のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの説明図で、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は電極端子側の外装フィルムに導電性ペーストと端子板をセットした状態を示す説明図、図５（ｃ）はセル導通側の外装フィルムに導電性ペーストをセットした状態を示す説明図である。図５（ａ）に示すように上記の複合セル６の上下面に、導電性ペースト１３を重ねて、その外側に外装フィルム７を配置し、複合セル６と重ならない大きさの端子板１２を、一部が導電性ペーストと接触し導通を保ち、一部が外部に取り出されて、電極端子８となるように配置する。

製造の際は、図５（ｂ）に示す、外装フィルム７に直接導電性ペースト１３を施し、端子板１２を複合セル６と重ならないように配置した電極端子側の外装フィルム体１４と、図５（ｃ）に示す外装フィルム７に直接積層セル間を接続させる導電性ペースト１３を施したセル導通側の外装フィルム体１５との間に複合セル６を挟み、外装フィルム７の周囲を圧着してシーリングを施し、電気二重層コンデンサ製品とする。図４に示す従来の電気二重層コンデンサと比較すると、本発明では端子板１２は複合セル６と重ならず、従来の導通用の端子板１０もないため、従来の端子板１２と導通用の端子板１０の厚みだけ、本発明の電気二重層コンデンサの方が薄型である。なお、図５では積層セルを２列に並べた複合セルを例示したが、もちろん、積層セルを平面的に３列以上並べても上記説明と同様に積層セル間の導通と電極端子と積層セル間の導通を確保することで、薄型化の効果を奏することが可能である。

図５に示す本発明の電気二重層コンデンサを次のようにして作製した。図１の分極性電極１は活性炭／カーボン複合材料であり、寸法は１２×２４×０．０５ｍｍである。セパレータ２はポリテトラフルオロエチレン系フィルムからなり、寸法は１４×２６×０．０２５ｍｍである。集電体４は導電性オレフィン共重合体からなり、寸法は１６×２８×０．０５ｍｍである。ガスケット３はエチレンメタクリル酸共重合体樹脂からなり、外寸は１８×３０ｍｍ、内寸は１２×２４、厚さは０．０５ｍｍのものを１セル当り２枚使用しており、それぞれフレーム状に加工されている。作製した単位セル５の寸法は１８×３０×０．２２５ｍｍである。この単位セル５を３層積層した積層セルを横に並列に並べて複合セル６を作製した。複合セル６の寸法は３６×３０×０．６７５ｍｍである。端子板１２は錫メッキを配した厚さ０．１ｍｍの銅板で寸法は３×５．５ｍｍであり熱圧着によって外装フィルム７に接着する。導電性ペースト１３は、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示されるように、外装フィルム７の内面（複合セルと接する側）に厚さ０．０１ｍｍで塗布した。外装フィルム７は、ここでは厚さ０．１ｍｍ、寸法４１×３５であるエチレンメタクリル酸共重合体樹脂、ポリエステル、アルミ箔、ナイロン樹脂からなる４層構造のラミネートフィルムを用いた。

具体的には、先ず集電体４にガスケット３を熱圧着により貼り合わせたものを２枚作製した。平均粒径１５μｍ粉末椰子殻活性炭、平均粒径１５μｍの非球状カーボン、繊維径０．１〜０．２μｍの繊維状カーボン及びバインダの組成比を７５：１０：１０：５の割合となる泥しょうを作製し、これをガスケット３の内側にあたる集電体上に塗布、乾燥させ、分極性電極１を形成した。このようにして分極性電極１の塗布された集電体４を２枚作製した後、４０ｗｔ％硫酸水溶液を分極性電極１上に添加した。硫酸添加済みシートの１枚にセパレータ２を載せた後、２枚のシートを集電体４が外側になるように貼り合わせ、熱圧着によりガスケット３を溶融させて接着させた。この方法で単位セル５を６枚作製した後、２並列３直列に接続し複合セル６とした。

外装フィルム内面（エチレンメタクリル酸共重合体樹脂）上に、導電性ペーストをスクリーン印刷で塗布し乾燥させ、厚さ０．０１ｍｍの導電性ペースト１３を設け、その後、図５（ｂ）に示す位置に端子板１２を熱圧着し固定した電極端子側の外装フィルム１４を１枚作製した。また外装フィルム内面上に導電性ペーストをスクリーン印刷で塗布し乾燥させ、厚さ０．０１ｍｍの導電層１３を設け、図５（ｃ）のセル導通側の外装フィルム１５を一枚作製した。電極端子側の外装フィルム１４の導電性ペースト１３の上面に複合セル６を配置し、さらにもう一枚のセル導通側の外装フィルム体１５を導電性ペースト１３が向かい合うように、複合セル６に接する方向に重ね合わせて減圧下で上下の外装フィルム７同士の重なった部分を熱融着することで、電気二重層コンデンサを形成した。

（従来例）
図４に示す従来例の電気二重層コンデンサを次のようにして作製した。従来例に使用する材料は、実施例と同様のものを使用し、複合セル６の作製までは、実施例と同じ方法で作製した。

厚さ０．０１ｍｍの導電性ペースト９を施した厚さ０．１ｍｍの錫メッキした銅製の端子板１０，１２を作製し、端子板１０，１２をそれぞれラミネートフィルム内面に導電性ペーストが上面にくるように融着し、図４（ｂ）に示す電極端子側の外装フィルム体１１４と図４（ｃ）に示すセル導通側の外装フィルム体１１５を作製した。電極端子側の外装フィルム体１１４の導電性ペースト９の上面に用意した複合セル６を配置し、さらにもう一枚のセル導通側の外装フィルム体１１５を導電性ペースト９が向かい合うように、複合セル６に接する方向に重ね合わせて減圧下で上下の外装フィルム７同士の重なった部分を熱融着することで、電気二重層コンデンサを形成した。

（比較）
以上の方法で実施例および従来例の電気二重層コンデンサを各１０個を作製し、ＥＳＲ、静電容量、製品厚みの測定を行った。また、７０℃、５．４Ｖ（１セルあたり０．９Ｖ）、１，０００時間の負荷を印加し室温まで冷却した後の上記特性についても測定した。

ここで、ＥＳＲは、１ｋＨｚ、１０ｍＶｒｍｓの交流電圧を印加して、電流と位相差を測定することで求めた。静電容量は１Ｈｚ、１０ｍＶｒｍｓの交流電圧を印加して、電流と位相差を測定することで求めた。製品厚みは、ノギスによって測定した。

実施例及び従来例の電気二重層コンデンサの、特性測定結果を表１に示す。なお、ＥＳＲ及び静電容量、製品厚みの値はサンプル１０個の測定値の平均値で示した。

表１より、実施例と従来例のＥＳＲ及び静電容量、製品厚みを比べると、サンプル作製直後の製品厚みは実施例の方が良好な値を示している。また、ＥＳＲ及び静電容量は、従来例と同等値である。

製品厚みに関しては、図４（ａ）と図５（ａ）を比較してわかるように、実施例では端子板１２，１０の厚み分製品厚みが薄く出来ていることがわかる、またＥＳＲ及び静電容量の電気特性においても、従来例と遜色ない値が得られていることから、複合セル６と重ねて配置する端子板１０，１２を用いなくても導電性ペースト１３のみで十分に電荷を集電することが出来ることがわかる。

また、電圧印加後では、実施例の方がＥＳＲ上昇及び静電容量減少率が少なく良好な値を示している。これらの要因として、実施例では、従来例の端子板１０，１２に対して外装フィルム７が薄膜であり、複合セルの集電体に対して導電性ペースト１３が印刷された外装フィルム７に密着しやすく、実施例の方が、集電体／導電性ペースト間がより密着した状態で保持されるため、複合セルと導電性ペースト間の接触抵抗が安定することが理由として考えられる。以上の結果より、外装フィルム内面に導電性ペーストを施すことで、端子板厚み分の薄型化が可能となり、さらに信頼性も向上させることが出来ることがわかる。

本発明を実施することにより、電気二重層コンデンサの製品において薄型化が可能となり、ＥＳＲ、静電容量において良好な結果が得られた。今回、電気二重層コンデンサについて実施例を示したが、電気二重層コンデンサに限らず、電気化学素子を外装フィルムで成形する電子部品の薄型化に適用が可能である。

電気二重層コンデンサの単位セルの断面図。 電気二重層コンデンサの複合セルの断面図。 本発明および従来例のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ製品の外観図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図。 従来のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの説明図で、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は電極端子側の外装フィルム体に端子板をセットした状態を示す説明図、図４（ｃ）はセル導通側の外装フィルム体に端子板をセットした状態を示す説明図。 本発明のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの説明図で、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は電極端子側の外装フィルム体に導電性ペーストと端子板をセットした状態を示す説明図、図５（ｃ）はセル導通側の外装フィルム体に導電性ペーストをセットした状態を示す説明図。

符号の説明

１ 分極性電極
２ セパレータ
３ ガスケット
４ 集電体
５ 単位セル
６ 複合セル
７ 外装フィルム（ラミネートフィルム）
８ 電極端子
１０，１２ 端子板
９，１３ 導電性ペースト
１４，１１４ 電極端子側の外装フィルム体
１５，１１５ セル導通側の外装フィルム体

Claims (4)

1. 板状の単位セルを単数もしくは複数積層した積層セルが２個以上横に並べて配置され、外装フィルムで覆われると共に前記積層セルの側方に電極端子を形成してなる電気化学素子において、前記外装フィルム内に前記積層セルと積層されないように前記積層セルの側方に配置した端子板の一部を前記電極端子とし、前記積層セルと前記端子板間の電気的接続は導電性ペーストを介したことを特徴とする電気化学素子。
2. 前記２個以上横に並べられた積層セルが、電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気化学素子。
3. 前記直列接続が、前記積層セルと積層される端子板を用いずに、導電性ペーストを介してなされたことを特徴とする請求項２記載の電気化学素子。
4. 前記単位セルは、セパレータを介して分極する二極の分極性電極の内部に電解質を含浸した電気二重層コンデンサのセルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学素子。

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