JP2006196562A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体が、偏平状の容器に、電極端子の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタにおいて、電極端子の周辺部の気密性が優れており、しかも構成が簡単で容易に製造できる電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】 電極端子と容器の貼り合わせ部が、筒状に形成された合成樹脂層を介して接着されてなる電気二重層キャパシタ、または、電極端子の少なくとも容器の貼り合わせ部と対面する部分が、電極端子の側面周辺部に向かって薄く形成されてなる電気二重層キャパシタとする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、活性炭等の分極性電極と電解液の界面である電気二重層に電気を蓄積する角型の電気二重層キャパシタであって、電極端子の周辺部の機密性が優れた電気二重層キャパシタに関する。

近年、活性炭等の分極性電極に電解液を含浸させ、これらの界面の電気二重層に電気エネルギーを蓄積させた電気二重層キャパシタが蓄電媒体として実用化され始めている。電気二重層キャパシタの一般的な構成としては、金属箔等の集電体及び活性炭等の分極性電極からなる電極シートと、セパレータが交互に積層され、電解液が含浸された構成を有する電気二重層キャパシタセルが形成され、さらに電気二重層キャパシタセルが容器に密封されて電気二重層キャパシタとされる。

また、電気二重層キャパシタの製造は、電極シートとセパレータの積層体を、角型の電気二重層キャパシタにおいてはサンドウィッチ状に、円筒型の電気二重層キャパシタにおいてはロール状に形成し、集電体（正極体及び負極体）のリード部を各々の端子に接続し、積層体を容器に収納した後、容器の開口部から電解液を注入して積層体に電解液を含浸し、電極端子の先端を外部に露出した状態で容器を密封する方法が多く実施されている。

このような電気二重層キャパシタにおいては、電解液として、高い耐電圧が得られる有機系電解液が一般的に用いられているが、微量の吸湿により耐電圧が低下し劣化しやすくなるという不都合が生じるので、電解液を注入する前に積層体を充分に乾燥させ、その後の操作は容器を密封するまで不活性ガス雰囲気下で行なわれている。また、容器の構成材料としては、通常は表面を接着性合成樹脂で被覆された金属箔が用いられ、容器の密封の際は、例えば加熱されたヒートシールバーを用いて、容器の開口部（貼り合わせ部）を電極端子を挟んだ状態で押圧してヒートシールすることにより行なわれている。

このように、電気二重層キャパシタは、その製造過程から使用期間が満了するまでの長期間にわたり容器内を気密に維持する必要があり、従来から容器の気密性を向上させるための手段が開発されてきた。特に角型の電気二重層キャパシタにおいては、０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有する平板状の電極端子を容器の貼り合わせ部に挟持した構成とするので段差を生じ、その周辺部は間隙が生じやすいという不都合があった。電極端子周辺部の気密性を向上させるための技術としては、例えば次のような特許文献に記載されたものが開発されている。
特開２０００−７７２７０号公報 特開２００１−１０２０３７号公報

しかしながら、前記のようなものを含めて、従来から電極端子の周辺部の機密性を向上させるために開発された電気二重層キャパシタは、いずれも構成が複雑であるか、あるいは製造に手間がかかるという不都合があった。
従って、本発明が解決しようとする課題は、角型の電気二重層キャパシタにおいて、電極端子の周辺部の気密性が優れており、しかも構成が簡単で容易に製造できる電気二重層キャパシタを提供することである。

本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、電極端子と容器の開口部の貼り合わせ部との間に、容易に融解する合成樹脂層、好ましくは電極端子と容器の貼り合わせ部の間隙の形状に合った合成樹脂層を介することにより、段差により生じる間隙を合成樹脂で埋められること、あるいは、電極端子として、容器の貼り合わせ部と対面する部分が、電極端子の側面周辺部に向かって薄く形成されてなるものを用いることにより、間隙の原因となる段差を排除できること等を見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体が、偏平状の容器に、電極端子の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子と容器の貼り合わせ部が、筒状に形成された合成樹脂層を介して接着されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
また、本発明は、電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体が、偏平状の容器に、電極端子の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子の少なくとも容器の貼り合わせ部と対面する部分が、該電極端子の側面周辺部に向かって薄く形成されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタである。

本発明の電気二重層キャパシタは、電極端子と容器の貼り合わせ部の段差により生じる間隙に合成樹脂層が形成されるため、あるいは電極端子が容器の貼り合わせ部との間に段差（間隙）が生じにくい形状であるため、従来から懸念されていた電極端子周辺部の気密性低下の問題が解決される。そのため、電気二重層キャパシタの性能を長期間にわたり良好な状態に維持することが可能である。しかも、本発明の電気二重層キャパシタは、比較的に簡単な構成であり、また特別な冶具や装置を必要とせず、容易に製造することが可能である。

本発明は、角型の電気二重層キャパシタに適用される。本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタは、電極端子と容器の貼り合わせ部が、筒状に形成された合成樹脂層を介して接着されてなる電気二重層キャパシタである。また、本発明の第２の形態の電気二重層キャパシタは、電極端子の少なくとも容器の貼り合わせ部と対面する部分が、電極端子の側面周辺部に向かって薄く形成されてなる電気二重層キャパシタである。
以下、本発明の電気二重層キャパシタを、図１〜図８に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタの一例を示す構成図である。図２は、図１におけるａ−ａ’断面の例を示す断面図である。図３は、本発明の第２の形態の電気二重層キャパシタの一例を示す構成図である。図４は、図３におけるｂ−ｂ’断面の例を示す断面図である。図５は、本発明の第１の形態において、電極端子の側面に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図である。図６は、本発明の第１の形態において、貼り合わせ部に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図である。図７は、本発明の第２の形態における電極端子の断面の例を示す断面図である。図８は、本発明の第２の形態において、電極端子の側面に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図である。

本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタは、図１及び図２（１）に示すように、電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体１が、偏平状の容器２に、電極端子３の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子３と容器の貼り合わせ部４が、筒状に形成された合成樹脂層５を介して接着されてなる電気二重層キャパシタである。
尚、第１の形態の電気二重層キャパシタにおいては、電極端子の形状は、通常は平板状であるが、これに限定されることがなく、例えば図２（２）に示すように、偏平な六角柱等の本発明の第２の形態の電極端子を用いることもできる。

本発明において使用される合成樹脂としては、５０〜３００℃程度で溶融し、電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着の際には少なくとも筒状となり、これを介して電極端子３と容器の貼り合わせ部４を接着できるものが使用されるが、その中でもポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系の合成樹脂が好ましい。
本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタにおいては、通常は予めこのような合成樹脂層５が、図５に示すように電極端子３の側面の表面、あるいは図６に示すように容器の貼り合わせ部４の表面に形成される。

合成樹脂層５を予め電極端子の側面に形成する場合、電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着の際に、間隙（段差）が生じにくい効果が大きい点で図５（２）（３）に示すような形態とするが好ましいが、合成樹脂層を形成させやすい点では図５（１）（４）に示すような形態が好ましい。例えば、電極端子３の側面に合成樹脂シートを捲くことにより図５（１）に示すような形態に形成させることができる。あるいは電極端子３を挟んで２枚の合成樹脂シートを重ね合わすことにより図５（４）に示すような形態に形成させることができる。

合成樹脂層５を予め容器の貼り合わせ部４の表面に形成する場合、単に１枚の合成樹脂層５（合成樹脂シート）を貼り合わせ部４の表面に形成し、後工程でこの貼り合わせ部を２枚用いて、電極端子３を挟み、互いに合成樹脂シート面を向き合わせ、溶融し接着させて筒状することができる。しかし、例えば図６に示すように複数枚の合成樹脂層５（合成樹脂シート）を用いて、電極端子３との接触部における合成樹脂層の厚みが、その周辺部の合成樹脂層の厚みより薄くなるように、あるいは電極端子との非接触部における合成樹脂層の厚みが、合成樹脂層の側面周辺部に向かって薄くなるように形成させることが好ましい。このような形態とすることにより、電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着の際に、間隙（段差）が生じにくくなる効果が大きくなる。

本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタにおいて、合成樹脂層の平均の厚みは、いずれの場合も、通常は電極端子の厚みの０．１〜２．０倍であり、好ましくは電極端子の厚みの０．２〜１．０倍である。合成樹脂層の平均の厚みが電極端子の厚みの０．１倍より薄い場合は、電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着の際に間隙が生じやすくなり、電極端子の厚みの２．０倍より厚い場合は、合成樹脂が無駄になる。電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着は、通常は容器の開口部を形成する２枚の貼り合わせ部４を、合成樹脂層５を介して、電極端子３を挟んだ状態で、外部から押圧してヒートシールすることにより行なわれる。このようにすることにより合成樹脂が溶融し、図２（１）に示すように電極端子３と容器の貼り合わせ部４に間隙がない電気二重層キャパシタが得られる。

本発明の第２の形態の電気二重層キャパシタは、図３及び図４に示すように、電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体１が、偏平状の容器２に、電極端子３の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子３の少なくとも容器の貼り合わせ部４と対面する部分が、電極端子の側面周辺部６に向かって薄く形成されてなる電気二重層キャパシタである。すなわち、電極端子の容器の貼り合わせ部と対面する部分の断面形状が、図７に示すように、偏平な六角形、八角形、平行四辺形、台形、楕円形、またはこれらに類似する形状の電気二重層キャパシタである。

本発明の第２の形態の電気二重層キャパシタにおいて、容器の貼り合わせ部と対面しない部分の形状については特に限定されることはないが、通常は容器の貼り合わせ部と対面する部分と同じであるか、あるいは平板状とされる。尚、図８に示すような合成樹脂層を形成させた電極端子を用いて、合成樹脂層を介して容器の貼り合わせ部と接着させることもできる。このような場合、例えば図２（２）に示すような電極端子と容器の貼り合わせ部の構成を有する電気二重層キャパシタとなる。このような形態とすることにより、電極端子３と容器の貼り合わせ部４の接着の際に、間隙が生じにくくなる効果が大きくなる。

本発明の電気二重層キャパシタは、主に電極シートとセパレータを積層する工程、開口部（貼り合わせ部）を有する偏平状の容器に積層体を収納する工程、容器に電解液を注入する工程、積層体を減圧処理する工程、及び容器を密封する工程を経て製造される。
電極シート（正極体及び負極体）とセパレータを積層する際は、正極体及び負極体、あるいは正極体のリード部及び負極体のリード部が、各々電極端子（正極端子、負極端子）に接続できるように積層される。積層体は水分等を極低濃度まで除去するために、乾燥または減圧乾燥される。また、積層体を収納するための少なくとも一辺に開口部を有する偏平状の容器も乾燥または減圧乾燥される。

次に、積層体の正極体及び負極体、あるいはこれらのリード部が、電極端子に溶接またはカシメ等により接着されるとともに、電極端子が容器の開口部（貼り合わせ部）側になるように偏平状の容器に収納される。この際、本発明の第１の形態の電気二重層キャパシタを製造する場合は、電極端子として前述の合成樹脂層が形成された電極端子、または容器として前述の合成樹脂層が形成された容器が適宜用いられる。また、本発明の第２の形態の電気二重層キャパシタを製造する場合は、電極端子として前述の偏平な六角形、八角形、平行四辺形、楕円形等の断面形状を有する電極端子が用いられる。

その後、開口部から容器へ電解液が注入される。続いて、容器が減圧装置に接続され、積層体の減圧処理が行なわれる。この減圧処理により、活性炭等の分極性電極に吸着されているガスが除去されるとともに、積層体に電解液を効率よく含浸することができる。また、必要に応じて、電解液の注入から容器の密封までの間に、分極性電極に含まれる水分や官能基を電気分解し除去するために、電極端子に通電して電解精製を行なうこともできる。
積層体の減圧処理後、容器の密封が行なわれる。容器の密封は、例えば加熱された２本のヒートシールバーを、容器を挟んだ状態で押圧することにより容器の密封を行なうことができる。尚、本発明においては、電解液の注入から容器の密封まで、乾燥された不活性ガス雰囲気下で行なわれる。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

（電気二重層キャパシタの製作）
アルミニウム製の平板状の正極体の端子及び負極体の端子（いずれも長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）の側面に、幅１５ｍｍのポリエチレン樹脂（融点１２２〜１２４℃）を、厚みが０．５ｍｍとなるように捲いて、図５（１）に示すような形態に形成した。また、活性炭、カーボンブラック、ＰＴＦＥ等の混合物からなる分極性電極にアルミ箔を貼り合わせた正極体、負極体と、紙製のセパレータを、正極体のリード部及び負極体のリード部が、各々電極端子に接続できるように、合計３０枚積層させて、一辺が１００ｍｍの正方形の積層体（厚さ１５ｍｍ）を製作した。次に、真空乾燥機を用いてこれらを１６０℃で１２時間減圧乾燥した。

また、表面をポリエチレンフィルム（厚さ０．０３ｍｍ）で被覆したアルミ箔（厚さ０．０７ｍｍ）を基材とする一辺が１５０ｍｍの正方形の偏平状の容器、及び前述の電極端子を、真空乾燥機を用いて８０℃で１５時間減圧乾燥した。偏平状の容器は、一辺に開口部を有するものであった。積層体、偏平状の容器、及び電極端子を、窒素雰囲気下で室温まで冷却した後、積層体の正極体のリード部及び負極体のリード部を、各々電極端子に溶接により接着し容器に挿入した。

続いて、プロピレンカーボネート溶媒にアンモニウム塩等を溶解させた電解液９０ｍｌを、筒状部材の中空部から注入した。電解液の注入を終了した後、容器を真空ポンプに接続し、３０分間真空ポンプにより減圧にして、積層体の減圧処理を行なった。また、この間、電極端子に通電して電解精製を行なった。
その後、容器の開口部（電極端子の合成樹脂層、容器の貼り合わせ部）を１５０℃でヒートシールし、偏平状の容器を密封して電気二重層キャパシタを得た。

（電極端子の周辺部の気密性の調査）
このような電気二重層キャパシタを１０個製作した。各々の電気二重層キャパシタについて、容器の開口部（電極容器の貼り合わせ部）を切断し、電子顕微鏡を用いて電極端子の周辺部の気密性を調査した。その結果、いずれの電気二重層キャパシタも、電極端子と容器の貼り合わせ部の間は、合成樹脂により埋まった状態であり、間隙は見られなかった。

実施例１の電気二重層キャパシタの製作において、合成樹脂層を図６（１）に示すように、容器の貼り合わせ部の表面に形成させた以外は、実施例１と同様にして電気二重層キャパシタを製作した。尚、合成樹脂層の厚みは、各々０．３ｍｍ、０．７ｍｍであった。
このような電気二重層キャパシタを１０個製作し、実施例１と同様に電極端子の周辺部の気密性の調査を行なった。その結果、いずれの電気二重層キャパシタも、電極端子と容器の貼り合わせ部の間は、合成樹脂により埋まった状態であり、間隙は見られなかった。

実施例１の電気二重層キャパシタの製作において、電極端子として、図７（１）に示すように、断面形状が偏平な六角形のものを用いた以外は、実施例１と同様にして電気二重層キャパシタを製作した。尚、電極端子は、いずれも長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ（中央部）、端部の角度は４５度であり、合成樹脂層は形成しなかった。
このような電気二重層キャパシタを１０個製作し、実施例１と同様に電極端子の周辺部の気密性の調査を行なった。その結果、いずれの電気二重層キャパシタも、電極端子と容器の貼り合わせ部の間に間隙は見られなかった。

実施例１の電気二重層キャパシタの製作において、電極端子として、図８（１）に示すように、断面形状が偏平な六角形であり、合成樹脂層を有するものを用いた以外は、実施例１と同様にして電気二重層キャパシタを製作した。尚、電極端子は、いずれも長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ（中央部）、端部の角度は４５度であり、合成樹脂層の厚みは０．１ｍｍでった。
このような電気二重層キャパシタを１０個製作し、実施例１と同様に電極端子の周辺部の気密性の調査を行なった。その結果、いずれの電気二重層キャパシタも、電極端子と容器の貼り合わせ部の間は、合成樹脂により埋まった状態であり、間隙は見られなかった。

（比較例１）
実施例１の電気二重層キャパシタの製作において、電極端子として、合成樹脂層を有しないものを用いた以外は、実施例１と同様にして電気二重層キャパシタを製作した。
このような電気二重層キャパシタを１０個製作し、実施例１と同様に電極端子の周辺部の気密性の調査を行なった。その結果、３個の電気二重層キャパシタについて、電極端子と容器の貼り合わせ部の間に、０．００５〜０．０２ｍｍの微小な間隙が見られなかった。

以上のように、本発明の電気二重層キャパシタは、電極端子の周辺部の気密性が優れていることがわかった。

本発明の電気二重層キャパシタ（第１の形態）の一例を示す構成図 図１におけるａ−ａ’断面の例を示す断面図 本発明の電気二重層キャパシタ（第２の形態）の一例を示す構成図 図３におけるｂ−ｂ’断面の例を示す断面図 本発明の第１の形態において、電極端子の側面に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図 本発明の第１の形態において、貼り合わせ部に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図 本発明の第２の形態における電極端子の断面の例を示す断面図 本発明の第２の形態において、電極端子の側面に予め合成樹脂層を形成させた場合の例を示す断面図

符号の説明

１ 積層体
２ 偏平状の容器
３ 電極端子
４ 貼り合わせ部
５ 合成樹脂層
６ 電極端子の側面周辺部

Claims (13)

1. 電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体が、偏平状の容器に、電極端子の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子と容器の貼り合わせ部が、筒状に形成された合成樹脂層を介して接着されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 合成樹脂層が予め電極端子の側面に形成され、その後容器の貼り合わせ部と接着された請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
3. 合成樹脂層が予め容器の貼り合わせ部に形成され、その後電極端子と接着された請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 電極端子との接触部における合成樹脂層の厚みが、その周辺部の合成樹脂層の厚みより薄くされた請求項１乃至請求項３のいずれかの１項に記載の電気二重層キャパシタ。
5. 電極端子との非接触部における合成樹脂層の厚みが、該合成樹脂層の側面周辺部に向かって薄くされた請求項１乃至請求項３のいずれかの１項に記載の電気二重層キャパシタ。
6. 合成樹脂層の平均の厚みが、電極端子の厚みの０．１〜２．０倍である請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
7. 合成樹脂がポリオレフィン系の合成樹脂である請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
8. 電極端子と貼り合わせ部が、合成樹脂層を介して加熱加圧溶着された請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
9. 電解液が含浸された電極シートとセパレータの積層体が、偏平状の容器に、電極端子の先端が外部に露出された状態で密封された電気二重層キャパシタであって、電極端子の少なくとも容器の貼り合わせ部と対面する部分が、該電極端子の側面周辺部に向かって薄く形成されてなることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
10. 電極端子の容器の貼り合わせ部と対面する部分の断面形状が、偏平な六角形、八角形、平行四辺形、台形、楕円形、またはこれらに類似する形状である請求項９に記載の電気二重層キャパシタ。
11. 電極端子の容器の貼り合わせ部と対面しない部分の断面形状が平板状である請求項９に記載の電気二重層キャパシタ。
12. 電極端子の断面形状が、全体にわたって、偏平な六角形、八角形、平行四辺形、台形、楕円形、またはこれらに類似する形状である請求項９に記載の電気二重層キャパシタ。
13. 電極端子と容器の貼り合わせ部が、筒状に形成された合成樹脂層を介して接着された請求項９に記載の電気二重層キャパシタ。
    

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