JP2006287039A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 平面に置いた時の安定性に優れた薄型の電気二重層コンデンサを提供すること。
【解決手段】 セパレータとセパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、電気二重層コンデンサの外形主面の上面側に成形加工を施した凹部の形状を有した外装フィルム１８とその主面の底面側に成形加工を施さない平板状の外装フィルム１５を組み合わせて使用することで、その主面の底面の側面部から端子板１４，１７の一部が外部に取り出される電極端子１２，１３を３箇所以上取り出し、 少なくとも２辺以上から取り出した電気二重層コンデンサの電極構造である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電気二重層コンデンサに関し、特に、電気二重層コンデンサの大容量化や薄型化に好適な電気二重層コンデンサの電極構造に関する。

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る。この電気二重層の厚さは、数ナノメートルと非常に小さい。また、比表面積の大きな活性炭を分極性電極に用いることで、大容量を実現している。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ないので環境汚染の危険性が非常に小さく、二次電池のような化学反応を伴わないので、充放電サイクル寿命に優れるという特徴がある。この優れた特徴から、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、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や携帯電話等の小型電子機器の補助電源としての新しい用途が検討され、一部実用化されている。このような用途では、電気二重層コンデンサの大容量化や電子機器の小型化に対応した薄型化が望まれている。

携帯電話等の小型電子機器の補助電源には電気二重層コンデンサの薄型化が要求され、これまで、ラミネート外装構造の電気二重層コンデンサにより薄型化の改善がなされてきた。

次に、一般的なラミネート外装構造の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、一般的な電気二重層コンデンサの基本セルの断面図を示す。図２は、電気二重層コンデンサの積層セルを示す模式図である。図３は、従来例におけるラミネート外装構造の電気二重層コンデンサの外観図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は断面図、図３（ｄ）は従来例の成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工済み端子板を組み合わせた状態を示す説明図、図３（ｅ）は従来例の成形加工を施した外装フィルムの状態を示す説明図である。

図１に示すように、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の両側に配置し、絶縁性のガスケット３で周囲を覆い、上下が集電体４で挟まれた構造になっている。図２に示すように、電気二重層コンデンサの単位セル５を複数層に積層して積層セル６を形成する。電気二重層コンデンサには、単位セル５もしくは耐電圧に合わせて単位セル５を必要数積層した積層セル６が用いられる。

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構成され、更に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で構成される。セル内の絶縁を確保するためのガスケット３は、ブチルゴムや熱可塑性樹脂が用いられる。集電体４には、導電性を有するゴムまたはエラストマが用いられる。

図３に示すように、所定の電圧に応じて単位セル５を複数層重ねた積層セル６を用い、外部に取り出す電極端子を設け、外装を施すことで、電気二重層コンデンサが製造される。基板に電気二重層コンデンサを取り付けしやすいように、図３（ｂ）に示す電極端子１０の曲げ加工および電気二重層コンデンサ固定用のテープ１１が近年必要になっている。図３（ｃ）及び図３（ｄ）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、積層セル６の上下面に、導電性ペースト９を介して端子板８を重ね、その外側に外装フィルム７を配置し、端子板８の一部が外部に取り出された電極端子１０が形成された構造になっている。電気二重層コンデンサの製造時には、図３に示すように、上面及び底面の外装フィルムにあらかじめ成形加工を施し、凹部形状の成形加工を施した外装フィルム（ラミネートフィルム）７に、一次曲げ加工を施した端子板８を組み合わせる。次に、導電性ペースト９を塗布した二つの端子板８の間に積層セル６を挟み、外装フィルム７の周囲を圧着し、密封することで電気二重層コンデンサを作製する。

従来構造では、両端子板８に内部の積層セル６の厚さのおよそ半分に相当する一次曲げ加工分の厚さが製造上必要となる。また、内部の積層セル６を収納し、封止を安定化する外装フィルムを作製するために、電気二重層コンデンサの外形の上面及び底面に凹部形状に成形加工を施した外装フィルムが必要になる。このような従来のラミネート外装構造の電気二重層コンデンサは、特許文献１に開示されている。

特開２００２―１７０５５２号公報

上述した特許文献１では、片側一方からの端子取り出しの構造で、リード端子の曲げ加工を必要とし、片側一方の１辺から２箇所の電極端子を取り出す電極端子板の構造になっているので、電気二重層コンデンサを平面に置いた時の安定性が悪く、安定性を確保するための固定用テープを貼る必要があり、電気二重層コンデンサの背高が高くなるという問題があった。

本発明は、上述した問題を解決すべくなされたもので、その技術課題は、平面に置いた時の安定性に優れた薄型の電気二重層コンデンサを提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および前記分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は前記単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、主面の底面の側面部から底面の少なくとも２辺に、正負極合わせて３個所以上の電極端子を取り出した電気二重層コンデンサである。

上記目的を達成するための第２の発明は、セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および前記分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は前記単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、前記外装フィルムは、上面側および底部側の２種類の外装フィルムからなり、上面側の外装フィルムは成形加工した凹部を有し、底部側の外装フィルムは平板状の電気二重層コンデンサである。

本発明は、セパレータとセパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、電気二重層コンデンサの主面の上面側に成形加工を施した凹部の形状を有した外装フィルムとその主面の底面側に成形加工を施さない平板状の外装フィルムを組み合わせて使用することで、その主面の底面の側面部から端子板の一部が外部に取り出される電極端子を3箇所以上取り出し、底面の少なくとも２辺から取り出した電気二重層コンデンサの電極構造である。

本発明によれば、電気二重層コンデンサにおける外形主面の底面の側部から端子板の一部が外部に取り出される電極端子を３箇所以上取り出し、その取り出し箇所は底面の少なくとも２辺以上から取り出す構造にすることで、電気二重層コンデンサを平面に置いた時の安定性を確保できる。また、電気二重層コンデンサの外形主面の上面側に凹部形状に成形加工を施した外装フィルムとその主面の底面側に成形加工を施さない平板状の外装フィルムを組み合わせて使用することで、安定性を確保するための固定用テープを貼る必要のない電気二重層コンデンサを可能とし、固定用テープに相当する厚さ分を薄くできるので、電気二重層コンデンサの実装時の背高が高くなるという問題点を解決できる。

本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサを以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、電気二重層コンデンサの単位セルの断面図である。図２は、電気二重層コンデンサの積層セルを示す模式図である。図４は、本発明を実施するための最良の形態に係るラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ（実施例１）を示す図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図、図４（ｃ）は断面図、図４（ｄ）は外装フィルムに端子板を組み合わせた状態を示す説明図、図４（ｅ）は成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工を施した端子板を組み合わせ状態を示す説明図である。

図５は、本発明を実施するための最良の形態に係るラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ（実施例２）を示す図で、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は断面図、図５（ｄ）は外装フィルムに端子板を組み合わせ状態を示す説明図、図５（ｅ）は成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工を施した端子板を組み合わせた状態を示す説明図である。

本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサの単位セルの構造は、従来と同じ構造のものが使用され、図１に示すように、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の両側に配置し、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。図２に示すように、電気二重層コンデンサの単位セル５を複数積層して積層セル６を形成する。電気二重層コンデンサには、耐電圧に合わせて単位セル５を必要数だけ積層した積層セル６が用いられる。なお、耐電圧によっては、単位セル５を１層のみで用いても良い。

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で構成され、電解質が添加されている。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好適である。ここでは、希硫酸の電解液を用いる。セパレータ２には、多孔質のポリテトラフルオロエチレン系フィルムが用いられる。集電体４は、導電性のゴムまたはエラストマが好適であり、ここでは、導電性オレフィン共重合体を用いる。セル内の絶縁を確保するためのガスケット３は、ブチルゴムや熱可塑性樹脂が好適で、ここでは、エチレンメタクリル酸共重合体樹脂を用いる。作製した単位セル５の寸法は１８×３０×０．２２５ｍｍで、作製した単位セル５の寸法は１８×３０×０．２２５ｍｍである。集電体４は、導電性のゴムまたはエラストマが好適であり、ここでは、導電性オレフィン共重合体を用いる。この単位セル５を６層積層して積層セル６を作製する。積層セル６の寸法は１８×３０×１．３５ｍｍである。

導電性ペースト１６を厚さ０．０１ｍｍで塗布した端子板１４および導電性ペースト１９を厚さ０．０１ｍｍで塗布した端子板１７は、錫メッキを施した厚さ０．１ｍｍの銅板である。外装フィルム１５およびあらかじめ積層セルの厚さに合わせ成形加工を施した外装フィルム１８にこのような端子板を熱圧着で接着する。外装フィルム１５および成形加工を施した外装フィルム１８は、厚さ０．１ｍｍの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、ナイロン樹脂から構成される４層構造のラミネートフィルムを用いる。

より具体的に説明すると、先ず集電体４にガスケット３を熱圧着で貼り合わせたものを２枚作製する。平均粒径１５μｍの粉末状の椰子殻活性炭、平均粒径１５μｍの非球状カーボン、繊維径が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の割合で配合し、泥しょうを作製する。この泥しょうをガスケット３の内側にある集電体の上面に塗布し、乾燥させ、分極性電極１を形成する。このように分極性電極１が塗布された集電体４を２枚作製する。

次に、４０ｗｔ％硫酸水溶液を分極性電極１上に添加する。この硫酸を添加したシートの１枚にセパレータ２を載せ、集電体４が外側になるように２枚のシートを貼り合わせ、ガスケット３を溶融させ、熱圧着で接着する。この方法で、単位セル５を６枚作製し、重ね合わせ、積層セル６とする。

図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、あらかじめ導電性ペーストを印刷で塗布し、乾燥する。導電性ペースト１６，１９を塗布した端子板１４および電気二重層コンデンサの外形主面の底面から電極端子が取り出し出来るように一次曲げ加工が施された端子板１７を外装フィルムの内面（エチレンメタクリル酸共重合体樹脂）に熱圧着し、外装フィルム体２９，３０を作製する。外装フィルム体２９の導電性ペースト１６部の上面に積層セル６を配置し、外装フィルム体３０の導電性ペースト１９部が導電性ペースト１６部に向かい合うように積層セル６に接する方向に重ね合わせる。次に、上下の外装フィルム体である外装フィルム１５および凹部の形状に成形加工を施した外装フィルム１８の重なった部分を減圧条件で熱圧着し、密封することで電気二重層コンデンサを形成する。

また、図４および図５に示すように、電気二重層コンデンサの外形主面の底面の側部から端子板の一部が外部に取り出される電極端子を３箇所以上取り出し、底面の少なくとも２辺以上から取り出した端子板を３箇所に設置した。ここでは、端子板を３箇所設置したが、端子板の数は多いほど電気二重層コンデンサを平面に安定に固定できる。

本発明の実施例について、従来例と比較して図面にて詳細に説明する。

（実施例１および実施例２）
上述の本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサと同様のものを使用し、同じ方法で積層セル６（図５参照）を作製した。次に、積層セル６の両側に厚さ０．０１ｍｍの導電性ペースト２３，２６塗布した厚さ０．１ｍｍの錫メッキした銅製の端子板２２，２５を重ね合わせた。更に、積層セル６に端子板２２，２５を重ね合わせた状態で、両側に厚さ０．１ｍｍのラミネートフィルム２４および凹部の形状に成形加工したラミネートフィルム２７を配置し、減圧条件下で外装フィルム２４および外装フィルム２７の重なった部分を熱圧着し、密封することで電気二重層コンデンサを形成した。なお、実施例１は図４に示すように、実施例２は図５に示すように、電気二重層コンデンサ主面の底面の側面部から端子板の一部が外部に取り出される電極端子を３箇所以上取り出し、底面の少なくとも２辺以上から取り出した端子板を３箇所に設置した。

（従来例）
図３に示すように、従来例の電気二重層コンデンサを次のように作製した。従来例に使用した材料は、上述の本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサと同様のものを使用し、同じ方法で積層セル６を作製した。次に、積層セル６の両側に厚さ０．０１ｍｍの導電性ペースト９を塗布した厚さ０．１ｍｍの錫メッキした銅製の端子板８を重ね合わせた。更に、積層セル６に一次曲げ加工を施した端子板８を重ね合わせた状態で、両側に厚さ０．１ｍｍの凹部３３の形状に成形加工したラミネートフィルム７を配置し、減圧条件下で両側の外装フィルム７の重なった部分を熱圧着し、密封することで電気二重層コンデンサを形成した。その後、電気二重層コンデンサの底面に沿うように電極端子１０に二次の曲げ加工を施した。また、電気二重層コンデンサの底面に厚み０．０５ｍｍの両面接着テープ１１を接着した。

上述の方法で実施例１、実施例２および従来例の電気二重層コンデンサを各１０個作製し、等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）、静電容量、厚さおよび基板と電極端子間距離測定を行った。ＥＳＲは、１ｋＨｚ，１０ｍＶｒｍｓの交流電圧を印加し、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、電流と位相差を測定することで求めた。厚さは、ノギスで測定した。基板と電極端子間距離は、投影機で測定した。

実施例１、実施例２及び従来例の電気二重層コンデンサの測定結果を表１に示す。なお、ＥＳＲ、静電容量、厚さおよび基板と電極端子間距離の測定値は、サンプル１０個の測定平均値である。

実施例１、実施例２と従来例のＥＳＲ、静電容量、厚さおよび基板との電極端子間距離を比較すると、厚さは実施例１が最も良好な値を示し、基板と電極端子間距離は実施例２が最も良好な値を示した。厚さ及び基板と電極端子間距離は、実施例１と実施例２の差はほとんどなく、従来例より良好な結果が得られた。また、実施例１と実施例２のＥＳＲ及び静電容量は、従来例と同等の値であった。

電気二重層コンデンサを平面に安定に固定するための固定テープ分だけ実施例１および実施例２の厚さを薄く出来たことが、図３と図４および図５を比較するとわかる。基板と電極端子間距離は、凹部形状に成形加工した上面の外装フィルムと凹部形状に成形加工しない平板状の底面の外装フィルムを使用することで、電気二重層コンデンサの底面に沿って電極端子を取り出し可能となった。また、電極端子の取り出しを３個にすることで、平面に安定に固定するための固定テープなしで電気二重層コンデンサを基板に安定に設置出来るようになった。

以上に示したように、本発明の実施例に係る電気二重層コンデンサは、薄型化を可能とし、平面に安定に固定するための固定テープおよび電極端子板の二次の曲げ加工無しで電気二重層コンデンサを基板に安定に設置できるという効果があることがわかる。また、従来例では平面に安定に固定するための固定テープ、電極端子板の二次の曲げ加工および従来構造で必要な両側の外装フィルムと端子板の前処理加工の工数がかるのに対して、本発明の実施例では、上面の外装フィルムと端子板の前処理加工の工数しかかからないので、加工費の低減も可能となる。

ここでは、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応用が可能である。

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積層セルを示す模式図。 従来例におけるラミネート外装構造の電気二重層コンデンサを示す図。図３（ａ）は平面図。図３（ｂ）は側面図。図３（ｃ）は断面図。図３（ｄ）は成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工済み端子板を組み合わせた状態を示す説明図。図３（ｅ）は成形加工を施した外装フィルムの状態を示す説明図。 本発明を実施するための最良の形態に係るラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ（実施例１）を示す図。図４（ａ）は平面図。図４（ｂ）は側面図。図４（ｃ）は断面図。図４（ｄ）は本発明を実施するための最良の形態に係るラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ（実施例１）の外装フィルムに端子板を組み合わせた状態を示す説明図。図４（ｅ）は成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工を施した端子板を組み合わせ状態を示す説明図。 本発明を実施するための最良の形態に係るラミネート外装構造の電気二重層コンデンサ（実施例２）を示す図。図５（ａ）は平面図。図５（ｂ）は側面図。図５（ｃ）は断面図。図５（ｄ）は外装フィルムに端子板を組み合わせた状態を示す説明図。図５（ｅ）は成形加工を施した外装フィルムに一次曲げ加工を施した端子板を組み合わせ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 積層セル
７，１８，２７ （成形加工を施した）外装フィルム（ラミネートフィルム）
８，１７，２２ （一次曲げ加工済み）端子板
９，１６，１９，２３，２６ 導電性ペースト
１０ 電極端子（二次曲げ加工）
１１ （製品固定用）テープ
１２，１３，２０，２１ 電極端子
１４，２２，２５ 端子板
１５，２４ 外装フィルム（ラミネートフィルム）
２８，２９，３０，３１，３２ 外装フィルム体
３３，３４，３５ 成形加工凹部

Claims (2)

1. セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および前記分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は前記単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、主面の底面の側面部から底面の少なくとも２辺に、正負極合わせて３個所以上の電極端子を取り出したことを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の分極性電極と集電体および前記分極性電極の周囲に配置したガスケットからなる単位セル又は前記単位セルを積層した積層セルの外側に電極端子板および外装フィルムを配置する電気二重層コンデンサにおいて、前記外装フィルムは、上面側および底部側の２種類の外装フィルムからなり、上面側の外装フィルムは成形加工した凹部を有し、底部側の外装フィルムは平板状であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。

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