JP2006086236A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高温使用時におけるＥＳＲの増加、及び静電容量の減少を抑制することができ、耐久性等の信頼性に優れた電気二重層コンデンサを提供する。
【解決手段】 分極性電極１、セパレータ２、集電体３及びガスケット４で形成された単位セル５を必要数重ねて積層セル６を形成し、その両端面に電極板７を配置している電気二重層コンデンサにおいて、電極板７の少なくとも２箇所以上において、９０度以下の折り曲げが施されている。また、積層セル６の最外層の単位セル５に接する電極板７は、分極性電極１部分より、小さい面積で接触している。さらに、ガスケット４部分の積層厚さ寸法が、分極性電極１部分以上の大きさである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気二重層コンデンサに関し、特に内部構造の改良に関するものである。

電気二重層コンデンサは、分極性電極と電解液の界面に生じる電気二重層に電荷を蓄積させるコンデンサである。従来の電気二重層コンデンサの単位セルの構造を図４に示す。図４に示すように、分極性電極１１には、電解液に対して安定で導電性があり、かつ大きな表面積を有する必要があるため、粉末活性炭や活性炭繊維、及び特許文献１に示すように、これらの活性炭をポリテトラフルオロエチレンなどのバインダにより成形したもの、または特許文献２及び特許文献３に示すように、活性炭をポリアセンまたは炭素に結合させた固形状活性炭が用いられる。電解液は、水溶液系と有機溶媒系に大別され、水溶液系としては主に硫酸や水酸化カリウムの水溶液などが、有機溶媒系としては主にポリプロピレンカーボネートに電解質として主に四級アンモニウム塩を溶解させたものが用いられる。セパレータ１２には、ガラス繊維やポリプロピレン繊維等の不織布またはポリオレフィン系多孔質フィルムなど、絶縁性でかつイオン透過性の高い多孔膜が用いられている。集電体１３には、水溶液系電解質を用いた場合はカーボン粉末等により導電性を付与したゴムあるいはエラストマが、有機溶媒系電解液を用いた場合は金属製のフィルムが用いられる。ガスケット１４は、単位セルの形状を維持し、電解液の漏れを防ぐと共に、上下の集電体１３の接触による短絡を防ぐ役割がある。集電体１３の外側には端子取り出しのため電極板１７が設けられている。さらに通常はセルの内部抵抗を低減するため、電極板１７の外側からセルを加圧した状態で固定している。

単位セルの耐電圧は電解液によって決まり、水溶液系の場合０．６〜１．０Ｖ、有機溶媒系の場合、構成する電解質によって異なるが２．０〜３．０Ｖ程度である。電気二重層コンデンサでは、所定の耐電圧にするために、必要に応じて単位セルを直列に積層している。

これまで、電気二重層コンデンサは、主にメモリ等のバックアップのような、比較的小電流の用途に用いられてきた。これに対し、近年、電子機器関係では、主電源である電池の長寿命化、及び瞬間的な電力遮断の防止のため、瞬時に大電流を供給できる電気二重層コンデンサの重要性が認知されつつある。

電気二重層コンデンサに要求されている課題の一つに、高温使用時における耐久性の向上が挙げられる。電気二重層コンデンサでは、高温使用時においてセル／電極板間及び各セル間の電解液溶媒の蒸発（ドライアップ）及び液漏れが生じるため、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が増加するという問題がある。この要因を解決するため、従来から最も多く行われている対策は、セルの両側から加圧をしてセル／電極板間及び各セル間の接触を密にすることである。また、分極性電極と集電体の界面の密着を維持する方法として、特許文献４に記載されているような、接着剤を塗布する方法がある。

特開平６−１９６３６４号公報 特許第２７７８４２５号公報 特公平７−７０４４８号公報 特開平７−１６１５８９号公報

セルの両側から加圧をかける方法では、時間の経過と共に加圧の緩みが生じた際、セル／電極板間及び各セル間の密着が弱くなり、ドライアップ及び液漏れが生じ、ひいてはＥＳＲ上昇につながる。また、特許文献４に記載されているような、接着剤を塗布する方法は、集電体の材料の接着剤に対する耐久性が不十分であるため実現が困難であり、また、コストアップ及び工数増加につながるという問題がある。また、ガスケット部分にのみ接着剤を塗布する方法でも、同様の問題がある。耐久性向上のためには、セル／電極板間及び各セル間の密着をより強固にした状態が維持されることが必要である。

本発明は、上記の課題を解決し、高温使用時における耐久性が向上した電気二重層コンデンサを提供することにある。

本発明においては、集電体及び周縁部に位置するガスケットによりセパレータとこの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を収納する単位セルを複数積層することにより素子を形成した後、前記積層セルの両端面に電極板を配置し、さらに前記電極板の外側に外装材を配置する。ここで、電極板は少なくとも２箇所以上において、９０度以下の折り曲げが施されている。また、積層セルの最外層の単位セルに接する電極板が、分極性電極からなる部分より、小さい面積で接触している。さらに、ガスケット部分の積層厚さ寸法が、分極性電極部分（分極性電極とセパレータと集電体）以上である。これらの手段により、外装材により電極板が積層セルを押圧し、セル／電極板間及び各セル間の密着をより強固にした状態が維持されるため、高温使用時の耐久性を向上させることが出来る。

即ち、本発明は、セパレータを介して対向する一対の分極性電極上に集電体を配置し、ガスケットにより封口した単位セルを複数積層することにより積層セルを形成し、前記積層セルの積層方向の端面に電極板を配置し、さらに前記積層セルと前記電極板の外周に外装材を配置した電気二重層コンデンサであって、前記電極板の端部の少なくとも２箇所以上を前記集電体の外側面とのなす角が９０度以下（０度を含まず）となるように前記外装材側に折り曲げたことを特徴とする電気二重層コンデンサである。

また、本発明は、前記電極板が、前記分極性電極の積層方向の端面の面積より小さい面積で前記集電体と接触していることを特徴とする上記の電気二重層コンデンサである。

また、本発明は、前記積層セルのガスケットの厚さ寸法が、前記分極性電極と前記セパレータと前記集電体の合計の厚さ寸法より大きいことを特徴とする上記の電気二重層コンデンサである。

以上の通り、本発明によれば、高温使用時におけるＥＳＲの増加、及び静電容量の減少を抑制することができ、耐久性等の信頼性に優れた電気二重層コンデンサを得ることができる。よって、本発明の電気二重層コンデンサは、長期にわたりＥＳＲ及び静電容量の安定性に優れる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。図１に、本発明による電気二重層コンデンサの断面図を示す。図１に示すように、本発明の電気二重層コンデンサは、分極性電極１、セパレータ２、集電体３及びガスケット４で形成された単位セル５を必要数重ねて積層セル６を形成し、その両端面に電極板７を配置し、さらに電極板７の外周部には、外装材８を配置した構成である。

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、及びバインダからなる。セパレータ２は、多孔質のフィルムであり、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。集電体３は、金属箔もしくは、導電性を有するゴムまたはエラストマが用いられる。ガスケット４は、単位セルの形状を維持し、電解液の漏れを防ぐと共に、上下の集電体３の接触による短絡を防ぐためのものであり、例えばブチルゴムや熱可塑性樹脂が用いられる。所定の電圧に応じて複数重ねた積層セル６の各単位セル５同士は必ずしも接着している必要はない。電極板７は、セル内部の電荷を取り出すためのものであり、厚さ０．０５〜１ｍｍの金属板である。外装材８は、アルミニウム等の金属箔に熱可塑性樹脂を貼り合わせた多層フィルム、又はポリオレフィン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ネオプレンなどの熱収縮性を有するチューブからなる。

次に、幾つかの実施例を示して本発明を具体的に説明する。図２に、本発明の実施例における電気二重層コンデンサの断面図を示す。図２に示すように、分極性電極１は、活性炭／カーボン複合材料であり、寸法が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繊維からなり、寸法が１４×２６×０．０２５ｍｍである。集電体３は、導電性オレフィン共重合体からなり、寸法が１６×２８×０．０５ｍｍである。ガスケット４は、エチレンメタクリル酸共重合体樹脂からなり、外寸が１８×３０ｍｍ、内寸が１２×２４ｍｍ、厚さが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。なお、ガスケット４に使用される樹脂は、構造により大幅に物性が異なるが、ここでは軟化点が６２℃、融点が８８℃の樹脂を用いた。作製した単位セル５の寸法は１８×３０×０．２２５ｍｍ、積層セル６の寸法は１８×３０×１．３５ｍｍである。電極板７は、銀からなる導電層を施した厚さ０．１ｍｍの銅板であり、寸法が１７×２３×０．１ｍｍである。ここで、電極板７の短辺方向の両側それぞれ３ｍｍ部分は、セルの外側に５度曲げており、集電体と接する部分の寸法は１１×２３ｍｍである。外装材８は、ここでは厚さ０．１ｍｍのラミネートフィルムを用いた。

まず、集電体３上にガスケット４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の粉末椰子殻活性炭、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７５：１０：１０：５の割合で形成される泥しょうを作製し、これをガスケット４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３を２枚作製した後、４０重量％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４を溶融させて接着させた。この方法で得られた単位セル５を６枚重ね合わせて積層セル６とした。

用意した積層セルの両側から、電極板７をセル内の分極性電極部分に接するようにして重ねあわせた。積層セル６に電極板７を重ねた状態で、外装材８を配置し、減圧下で外装材同士の重なった部分を熱融着することで、電極板と積層セルの外装材封止体を形成させた。以上の方法で電気二重層コンデンサを１０個作製した。

（比較例）
図３に、従来の電気二重層コンデンサの断面図を示す。図３に示すように、実施例１において、電極板７のセル外側への折り曲げを行わない以外は、実施例１と同様にして電気二重層コンデンサをそれぞれ１０個作製した。

上記の方法で作製した電気二重層コンデンサについて、ＥＳＲ、静電容量を試料作製直後（初期）及び７０℃、５．４Ｖ（１セルあたり０．９Ｖ）、１０００時間の負荷を行い室温まで冷却した後のそれぞれについて測定した。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。上記の方法で作製した電気二重層コンデンサの、電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量の平均値を表１に示す。なお、ＥＳＲ及び静電容量は作製した試料１０個の平均値である。

表１より、本発明と比較例のＥＳＲ及び静電容量を比べると、試料作製直後に関しては、ＥＳＲ及び静電容量共に変化は見られない。しかし、電圧負荷後のＥＳＲ及び静電容量に関しては本発明の方が良好な値を示している。これらの要因として、図２のように電極板７を積層セルの外側に曲げ加工を施すことにより、外装材８を通じて電極板が積層セル部分を押す圧力が大きくなり、また圧力が安定することが挙げられる。以上の結果より、電極板の少なくとも２箇所以上において折り曲げ加工をすることにより、高温使用時の耐久性を向上させることが出来る。

実施例１において、電極板のセル外側への折り曲げ角度（集電体との積層方向の端面とのなす角度）を５、１０、２０、３０、６０、９０、１２０度に変更し、その他は実施例１と同様にして電気二重層コンデンサをそれぞれ１０個作製した。また、実施例１と同様にして電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量を測定した。その結果を表２に示す。

表２より、ＥＳＲ及び静電容量を比べると、初期特性、電圧負荷後のいずれに関しても、電極板角度による相関は見られない。なお、電極板角度が９０度を越える場合は、外装材の圧力により電極板が１８０度まで折れ曲がるため、電極板に圧力がかからず電極板とセルの接触が不十分となり、その結果電圧負荷後に関してはＥＳＲ、静電容量ともに劣化傾向にある。このことから、電極板の折り曲げ角度は９０度以下にすれば良いことが分かる。

実施例１において、電極板が集電体と接する部分の寸法を７×１９ｍｍ、９×２１ｍｍ、１１×２３ｍｍ、１３×２５ｍｍに変更し、その他は実施例１と同様にして電気二重層コンデンサをそれぞれ１０個作製した。また、実施例１と同様にして電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量を測定した。その結果を表３に示す。

表３より、ＥＳＲ及び静電容量を比べると、電極板面積が分極性電極面積を越えた場合は、電圧負荷後のＥＳＲ上昇及び静電容量低下が見られる。これらの試料では、積層セルの集電体と電極板が密着していない箇所がある。このことから、積層セル最外層の単位セルに接する電極板は、分極性電極からなる部分より、小さい面積で接触しているのがよい。ただし、電極板面積が小さすぎる場合、初期の内部抵抗が上昇するので、電極板面積を分極性電極面積に可能な限り近づけ、分極性電極面積に対して電極板面積が４６％以上、より好ましくは６５％以上であることが望ましい。

実施例１において、ガスケットの厚さを０．０３ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０６ｍｍに変更し、その他は実施例１と同様にして電気二重層コンデンサをそれぞれ１０個作製した。また、実施例１と同様にして電圧負荷前後のＥＳＲ及び静電容量を測定した。その結果を表４に示す。

表４より、ＥＳＲ及び静電容量を比べると、初期のＥＳＲ及び静電容量の変化は見られない。しかし、ガスケット厚さが０．０３ｍｍの場合、電圧負荷後のＥＳＲ及び静電容量が劣化傾向にある。積層セルにおけるガスケット部分、及び分極性電極部分の厚さを測定したところ、ガスケット厚さが０．０３ｍｍの場合のみ、ガスケット部分の厚さが分極性電極部分より小さい。分極性電極部分の厚さが大きい場合、集電体の分極性電極部分が上下に突き出る構造を取るため、完全には電極板に接触しておらず、その部分から電解液のドライアップが生じる。これらのことから、積層セル中のガスケット部分の積層厚さ寸法が、分極性電極部分以上であるほうがよい。

以上の結果より、電極板の折り曲げ角度が９０度以下であり、積層セル最外層の単位セルに接する電極板が、分極性電極からなる部分より小さい面積で接触し、積層セル中のガスケット部分の積層厚さ寸法が、分極性電極部分以上である、本発明の電気二重層コンデンサにおいて、電圧負荷前後のＥＳＲ、静電容量について良好な結果が得られた。

本発明による電気二重層コンデンサの断面図である。 本発明の実施例における電気二重層コンデンサの断面図である。 従来の電気二重層コンデンサの断面図である。 従来の電気二重層コンデンサの単位セルの構造を示す図である。

符号の説明

１，１１ 分極性電極
２，１２ セパレータ
３，１３ 集電体
４，１４ ガスケット
５ 単位セル
６ 積層セル
７，１７ 電極板
８ 外装材

Claims (3)

1. セパレータを介して対向する一対の分極性電極上に集電体を配置し、ガスケットにより封口した単位セルを複数積層することにより積層セルを形成し、前記積層セルの積層方向の端面に電極板を配置し、さらに前記積層セルと前記電極板の外周に外装材を配置した電気二重層コンデンサであって、前記電極板の端部の少なくとも２箇所以上を前記集電体の外側面とのなす角が９０度以下（０度を含まず）となるように前記外装材側に折り曲げたことを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. 前記電極板が、前記分極性電極の積層方向の端面の面積より小さい面積で集電体と接触していることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。
3. 前記積層セルのガスケットの厚さ寸法が、前記分極性電極と前記セパレータと前記集電体の合計の厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の電気二重層コンデンサ。

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