JP2006287174A - 高電圧電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 単位セルの構造を改善することにより、耐電圧及び動作電圧を向上させた高電圧電気二重層キャパシタを提供すること。
【解決手段】 本発明による電気二重層キャパシタは、少なくとも３つの電極を有する単位セルを備える。単位セルは、一つの絶縁紙からなる第１の絶縁紙層と、少なくとも２つの電極からなる第１の電極層と、一つの絶縁紙からなる第２の絶縁紙層と、少なくとも一つの電極からなる第２の電極層が順に積層された構造を有することを特徴とする。本発明によれば、電極の対向面の数が増加し、増加した対向面の数に比例して耐電圧及び動作電圧を向上し、高いエネルギー貯蔵密度を持つ。また、単セルとしても製品に適用ができ、電気二重層キャパシタのモジュールを小型化でき、モジュールの作製の際に単位セル別の電圧バランスを維持するための保護回路を必要としないという効果を有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、高電圧電気二重層キャパシタに関し、より詳しくは、単位セル(unit cell)の構造を改善することにより、耐電圧及び動作電圧を向上させた電気二重層キャパシタに関する。

電気二重層キャパシタ(EDLC；Electric Double Layer Capacitor)は、絶縁紙を挟んで正極と負極との二つの電極を互いに対向して配置し、対向面にそれぞれ符号の異なる一対の電荷層(電気二重層)が生成されたことを用いたエネルギー貯蔵媒体であり、これは、継続的な充電/放電が可能な素子である。このような電気二重層キャパシタは、種々の電気・電子機器の補助電源、ＩＣバックアップ電源などに主に使用されており、最近は、玩具、産業用電源、ＵＰＳ(UNINTERRUPTED POWER SUPPLY)、太陽熱エネルギーの貯蔵、ＨＥＶ／ＥＶ ＳＵＶ ＰＯＷＥＲなどに至るまで幅広く応用されている。

電気二重層キャパシタは、一般的にケース内に単位セルを組み込み、電解質を収容することにより作製される。このとき、単位セルは、電極と絶縁紙とが交互に積層され、巻回されて構成され、通常に電気二重層キャパシタに要求される定格電圧及び容量を有するように上記のような単位セルが２つ以上直列または並列に接続され、電気二重層キャパシタを構成する。これを図１乃至図４を参照してより詳しく説明すると、次のようになる。図１は、従来の技術による単位セルの積層構造を示す断面構成図であり、図２は、前記図１に示す単位セルが巻回された様子を示す斜視図であり、図３は、前記図２に示す単位セルが圧着されている様子を示す斜視図である。また、図４は、図１に示す単位セルの電荷分布及び分極している様子を示す断面模式図である。

図１及び図２を参照して、従来の技術による単位セルは、絶縁紙１ａ、１ｂと電極２ａ、２ｂとをそれぞれ２つずつ使用するが、二つの電極２ａ、２ｂが互いに絶縁するように、電極２ａ、２ｂと絶縁紙１ａ、１ｂとを交互に積層し、ロール状に巻回して構成した。すなわち、従来は、単位セルを構成するにあたって、先ず、図１に示すように、一つの絶縁紙１ａからなる第１の絶縁紙層１Ａと、一つの電極２ａからなる第１の電極層２Ａと、一つの絶縁紙１ｂからなる第２の絶縁紙層１Ｂと、一つの電極２ｂからなる第２の電極層２Ｂとを順に積層していた。

そして、上記のように積層された積層体を、図２に示すようにロール状に巻回して単位セルを構成した。このとき、電極２ａ、２ｂは、外部から印加される電気の符号により正極（＋）または負極（−）とその符号が決定され、このような電極２ａ、２ｂには、外部から電気を印加するための端子２ａ´、２ｂ´が引き出されている。

図４は、第１の電極層２Ａが負極（−）、第２の電極層２Ｂが正極（＋）の符号を示す様子を示している。
上記のようにロール状に巻回された単位セルは、円筒状のケースにそのまま組み込まれたり、あるいは、図３に示すように圧着されている場合には、角状または袋(通常のパウチ)状のケースに組み込まれることが一般的である。

以上説明したように、従来は、単位セルを構成するにあたって、２つの電極２ａ、２ｂを有するように構成していた。すなわち、第１の電極層２Ａと第２の電極層２Ｂとを備えるが、各電極層は、一つの電極から構成して、単位セルを構成する電極は、正極（＋）または負極（−）として２つの電極２ａ、２ｂを有するように構成していた。また、単位セルは、図４に示すような電荷分布を持ちながら、第１の電極層２Ａと第２の絶縁紙層１Ｂ、かつ、第２の絶縁紙層１Ｂと第２の電極層２Ｂとで正電荷（＋）と負電荷（−）とが分極され、一つの単位セルには２箇所の電荷層(電気二重層)が生成される。

しかし、このような構造を有する従来の技術による単位セルは、耐電圧(Surge Voltage)が３.０Ｖ以下、一般的には動作電圧(Operating Voltage)が２.３Ｖ〜２.７Ｖと低く、実際の電子製品に適用するための動作電圧を持たせるためには、単位セルを二つ以上直列に接続して使用しなければならないという問題点があった。

電気二重層キャパシタは、既存の他のキャパシタとは異なり、活性炭電極を用いて対向面積(比表面積)を増やし、電解質を用いて容量を向上させたもので、上述のように、対向する２つの電極２ａ、２ｂが当接しないようにする２つの絶縁紙１ａ、１ｂを有する。特に、図２に示すロール状が適用される円筒状は、その容量を向上させるために、円状に巻回して前、後に対向するようにしたものであり、これは、結局、対向面を増やしたものであると言える。しかし、これは、下記の式のように静電容量を増やすことはできるが、電圧の増加とは全く関係ない。
C=ε・S/d
(式中、C:静電容量、ε:誘電体の誘電率、S:電極の断面積、d:対向する電極と電極との間の距離を表す。)

また、瞬間充電/放電が可能なエネルギー貯蔵媒体である電気二重層キャパシタは、電池に比べて出力特性はよいが、放電と同時に電圧が漸次低下し、単位セル当たり低い電圧を有することにより、エネルギー貯蔵密度が電池に比べて小さい。これにより、電池の出力用補助電源及びその他の電気電子装置の補助電源装置として使用されることが一般的だった。

ＩＣ及びバックアップ電源製品を含むほぼ殆どの電子製品は、動作電圧が１.８Ｖ以上、好ましくは、３Ｖ以上から、高くは電気自動車用の場合、４８Ｖまでの広い電圧範囲での使用を必要とする。これにより、このような製品に使用するためには２つ以上の単位セルを直列に接続して動作電圧を少なくとも５Ｖに増加させてから使用しており、産業用機器、電気自動車用、ＵＰＳに使用するために１０Ｖから４８Ｖまで十個から百個までの単位セルを直列/並列に接続して使用している。

しかし、２つ以上の各単位セル(３.０Ｖ以下)を外部の直列接続でキャパシタの動作電圧を増加させる場合には、必然的に生じる各単位セル間のバランス問題を解決しなければならないという問題点もあった。具体的に、単位セルの容量、等価直列抵抗(ESR)、漏れ電流などを考慮し、キャパシタの全体動作電圧が一つの単位セルに集中しないように抵抗、ダイオード、その他のＩＣなどの電圧バランス保護回路を必要とする。このとき、最も重要なのは、上記のパッケージングもやはり全体の動作電圧の余裕を与えるために一つ程度の単位セルをさらに追加して全体の電圧分配を各単位セルの動作電圧よりも著しく低くして作製しなければならないことである。すなわち、安定して使用するためにはセル当たり２.０Ｖ付近でモジュールを作製しなければならなかった。

一方、エネルギー貯蔵媒体は、貯蔵できるエネルギーの量に対して固有の値で表している。電池の場合には、１ＡＨ(１Ａ電流を１時間の間で使用できる貯蔵容量)に表す。電池の安定した電圧範囲を有しているためである。しかし、電気二重層キャパシタの場合には、Ｆ(Farad)に表す。これは、電気二重層キャパシタの電圧が放電と同時に変化するために、一般的な蓄電器(キャパシタ)の容量表記法によりＦに表したものである。

また、超高容量電気二重層キャパシタというと、既存のｍＦ、ｕＦなどの容量を有するコンデンサに比べて少なくは１、０００倍、多くは百万倍となるため、超高容量という。しかし、従来の電気二重層キャパシタは、その電圧において、前述したように、既存の電池やコンデンサに比べて非常に低い動作電圧を有している。

エネルギーの貯蔵に関する一つの資料となるエネルギー貯蔵量は、電池及びコンデンサと同様に電気二重層キャパシタにおいてもエネルギーの量を比較できるいい指標と言える。エネルギー貯蔵量は、下記の式により求められる。
最大エネルギー貯蔵量(J)=１/２ＣＶ^２
(式中、Ｃは、セル当たりの静電容量(F)、Ｖは、セルに印加可能な電圧である。)

上記の式から明らかなように、最大エネルギー貯蔵量は、容量に比例するが、電圧には二乗に比例するということが分かる。すなわち、同じ面積で電圧を２倍増加させると、最大エネルギー貯蔵量は、４倍増加するが、容量を２倍増加させると、最大エネルギー貯蔵量は、２倍の増加のみが生じる。よって、電気二重層キャパシタの使用できる最大エネルギーの量を増加させる最もよい方法は、電圧を増加させることと言える。

しかし、前述のように、従来には、単位セルを直列に接続して動作電圧を向上させているが、このような方法は、単位セルの容量、容量変化率、ＥＳＲ、抵抗変化率、漏れ電流、漏れ電流変化率などの反復サイクルにより単位セル間の電圧バランスが崩れながら、何れか一つの単位セルに高い電圧がかかるという問題点があった。つまり、電解質物質が分解(３.０Ｖ以上の電圧が印加される場合、電解質が分解される)され、内部抵抗が増加し、静電容量の低下するなどの問題があった。

従って、電気二重層キャパシタの耐電圧及び動作電圧の増加は、当分野で解決すべき最も重要な技術的課題と言える。このとき、内部抵抗、静電容量、急速充電/放電、瞬間高出力特性などのその他に要求される電気二重層キャパシタの物理的特性が保証される必要がある。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、単位セルを構成するにあたって、単位セル内に電極の数を増加させることにより、耐電圧及び動作電圧を向上させて高いエネルギー密度を有し、高い充電/放電特性を有する高電圧電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明による高電圧電気二重層キャパシタは、電極と絶縁紙とが交互に積層され構成された単位セルを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記電極が少なくとも３つである電気二重層キャパシタを提供することを特徴する。
具体的に、本発明による電気二重層キャパシタは、少なくとも一つ以上の単位セルを有し、前記単位セルは、本発明により少なくとも３つ以上の電極を有することを特徴する。

本発明は、単位セルの内部に電極の数を増加させ、結局、電極と電極との対向面の数を増加させたことを特徴する。本発明によれば、増加された電極は、ブリッジとして機能し、単位セルの内部で電極間を直列に接続して耐電圧及び動作電圧を増加させる。また、単位セルに３.０Ｖ以上の高電圧を印加しても単位セルの内部で電圧分配が行われ、電解質が分解されない。これにより、単位セルは、耐電圧及び動作電圧が増加し、高いエネルギー貯蔵密度を有し、高い充電/放電特性を有する。また、高い動作電圧を有することにより、本発明による電気二重層キャパシタは、単セルとしても作製することができ、このように単セルで作製される場合、作製過程が単純化し、小型化する。

本発明による高電圧電気二重層キャパシタによれば、電極の厚さ、幅、長さを計算し、単位セルの内部の電極の数を調節し、電極の対向面の数を任意に選択して設計することにより、前記設計値により多様な値の内部電圧及び容量を導くことができる。これにより、本発明は、設計された電極の数に対応して耐電圧及び動作電圧を増加させて高いエネルギー貯蔵密度を持たせ得る効果を有する。

また、本発明は、単位セルとしても製品に適用可能な動作電圧を持たせることができ、モジュールの作製に必要な単位セルの容量別、抵抗別、漏れ電流別の分類の製造過程を短縮し、モジュールの作製後のモジュールの容量、抵抗、漏れ電流などの電気的性能を繰り返して測定する過程を省くことができ、電気二重層キャパシタのモジュールを小型化できるという効果を有する。さらに、モジュールの作製の際に単位セル別の電圧バランスを維持するための保護回路を必要としないという効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
本発明による電気二重層キャパシタは、単位セルから構成され、前記単位セルは、絶縁紙層１０Ａ、１０Ｂと電極層２０Ａ、２０Ｂとが交互に積層されているが、少なくとも３つ以上の電極２１、２２、２３、２４及び２５を有する。本発明における電気二重層キャパシタを構成する単位セルは、３つ以上の電極２１〜２５を有するものであればよい。

本発明の好ましい形態により、前記単位セルは、一つの絶縁紙１１からなる第１の絶縁紙層１０Ａと、少なくとも２つの電極２１〜２５からなる第１の電極層２０Ａと、一つの絶縁紙１２からなる第２の絶縁紙層１０Ｂと、少なくとも一つの電極２１〜２５からなる第２の電極層２０Ｂとが順に積層された構造を有する。

また、前記単位セルは、一つの絶縁紙１１からなる第１の絶縁紙層１０Ａと、少なくとも一つ以上の電極２１〜２５からなる第１の電極層２０Ａと、一つの絶縁紙１２からなる第２の絶縁紙層１０Ｂと、少なくとも２つ以上の電極２１〜２５からなる第２の電極層２０Ｂとが順に積層された構造を有してもよい。

具体的には、第１の電極層２０Ａに２つ以上の電極２１、２２が所定の間隔で水平に配置されるか、あるいは、第２の電極層２０Ｂに２つ以上の電極２３、２４及び２５が所定の間隔で水平に配置されており、一つの単位セルの内部には、少なくとも３つ以上の電極２１〜２５を有する。これにより、電極２１〜２５と電極２１〜２５とが互いに対向する電極の対向面Ｓは、少なくとも２箇所以上を有する。

図５は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、これは、３つの電極２１、２２及び２３を有する単位セルの積層構造を示す。すなわち、本発明の第１の実施形態による単位セルの積層構造は、図５に示すように、一つの絶縁紙１１からなる第１の絶縁紙層１０Ａと、２つの電極２１、２２が所定の距離だけ離れており、水平に配置された第１の電極層２０Ａと、一つの絶縁紙１２からなる第２の絶縁紙層１０Ｂと、一つの電極２３からなる第２の電極層２０Ｂとが順に積層された構造を有する。
また、図５で第１の電極層２０Ａに一つの電極をさらに追加して３つの電極を所定の距離だけ離れるように水平に配置した場合、本発明の単位セルは、４つの電極を有する。

図６は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、これは、４つの電極２１、２２、２３及び２４を有する単位セルの積層構造を示す。すなわち、本発明の第２の実施形態による単位セルの積層構造は、図６に示すように、一つの絶縁紙１１からなる第１の絶縁紙層１０Ａと、２つの電極２１、２２が所定の距離だけ離れて水平に配置された第１の電極層２０Ａと、一つの絶縁紙１２からなる第２の絶縁紙層１０Ｂと、２つの電極２３、２４が所定の距離だけ離れて水平に配置された第２の電極層２０Ｂとが順に積層された構造を有する。

図７は、本発明の第３の実施形態を示す図であり、これは、５つの電極２１、２２、２３、２４及び２５を有する単位セルの積層構造を示す。すなわち、本発明の第３の実施形態による単位セルの積層構造は、図７に示すように、一つの絶縁紙１１からなる第１の絶縁紙層１０Ａと、２つの電極２１、２２が所定の距離だけ離れて水平に配置された第１の電極層２０Ａと、一つの絶縁紙１２からなる第２の絶縁紙層１０Ｂと、３つの電極２３、２４及び２５が所定の距離だけ離れて水平に配置された第２の電極層２０Ｂとが順に積層された構造を有する。

以上の実施形態を説明したように、本発明の単位セルは、少なくとも３つ以上の電極２１〜２５を有するが、電極２１〜２５の位置は様々に設計することが可能である。すなわち、第１の電極層２０Ａと第２の電極層２０Ｂとの何れか一つに２つ以上の電極２１〜２５が水平に配置され、一つの単位セルに配置される電極２１〜２５の数は３つ以上である。
このとき、前記水平に配置された電極２１〜２５間の間隔ｄは、０.５mm〜２０mmであることが好ましい。すなわち、一例として、図５を参照して、図５には第１の電極層２０Ａに２つの電極２１、２２が水平に配置されているが、図面符号２１で表した電極２１と図面符号２２で表した電極２２とは、０.５mm〜２０mmの距離だけ離れた間隔ｄを置くことが好ましい。

このような積層構造を有する本発明の単位セルは、巻回された後、通常のように、円筒状、角状または袋(通常のパウチ)状のケースに組み込まれ、電解液に浸漬される。

本発明では、前記絶縁紙１１〜１３と、電極２１〜２５と、電解液とは、通常のものを使用することができ、電極２１〜２５としては活性炭系電極が有用に使用できる。ここで、前記活性炭系電極は、通常の活性炭系電極活物質(活性炭、バインダー、導電剤などの混合物)を延伸圧延して製造したシート形態、及び前記電極活物質を金属箔(例えば、アルミニウムホイルなど)にコーティング、乾燥して製造した形態を含む。このとき、金属箔に電極活物質がコーティングされた電極を使用する場合には、電極活物質が金属箔の両面にコーティングされた両面電極であることが好ましい。

本発明の単位セルは、少なくとも３つ以上の電極２１〜２５を有しており、少なくとも２箇所以上の電極の対向面Ｓを有する。
具体的に、図５に示す単位セルにおいては、図面符号２３で表した電極２３が図面符号２１で表した電極２１と対向すると共に、図面符号２２で表した電極２２とも対向する。これにより、図５に示す単位セルは、２つの電極の対向面Ｓを有する。このとき、前記各電極２１〜２３のうち、図面符号２３で表した電極２３は、ブリッジ電極(端子の引き出し無しに電荷の分極が生じて対向面を接続させる電極)として機能し、この電極２３は、図面符号２１で表した電極２１と図面符号２２とで表した電極２２とを直列に接続する。

また、図６に示す単位セルは、図面符号２１及び２３で表した電極２１及び２２が互いに対向しており、前記図面符号２１で表した電極２１は、図面符号２４で表した電極２４とも対向している。かつ、図面符号２４で表した電極２４は、図面符号２２で表した電極２２とも対向している。これにより、図６に示す単位セルは、３つの電極の対向面Ｓを有する。このとき、図６では、図面符号２１及び２４で表した電極２１及び２４がブリッジ電極として機能する。

そして、図７に示す単位セルは、４つの電極の対向面Ｓを有しており、図面符号２１、２２及び２４で表した電極２１、２２及び２４がブリッジ電極として機能する。

図８は、図６に示す単位セルの電荷分布及び分極された様子を示す断面模式図である。図８を参照して、本発明の単位セルには、４つ以上の電荷層(電気二重層)が生成される。すなわち、従来の単位セルは、図４に示すように、一つの電極の対向面Ｓを有することにより、２つの電荷層が生成されるが、本発明の単位セルは、２つ以上の電極の対向面Ｓを有することにより、４つ以上の電荷層が生成される。図８は、６つの電荷層が生成された様子を示す。

ここで、説明していない図面符号３０は、電極２１〜２５から引き出された端子３０を示しており、このような端子３０の位置は、電圧を決定する最も重要な要因である。端子３０の位置は、電源が供給される正極または負極の最初の電極と最終の電極に位置する必要がある。すなわち、図８を参照して、何れか一つの電極(最初の電極)が正極または負極と決定されると、電極の対向面Ｓでの電荷分布を計算して反対符号の電極(最終の電極)を決定する。図８では、図面符号２３で表した電極２３を正極（＋）と決定し、電荷分布により図面符号２２で表した電極２２を負極（−）と決定した様子を示す。

本発明によれば、電極２１〜２５の数が増加すると、電極の対向面Ｓの数が増加し、電荷層が増加する。これは、結局、単位セルの耐電圧及び動作電圧を増加させる。
より具体的に、図８を参照して、本発明の単位セルは、電荷が上下に分極されると共に左右にも分極される電極を有する。図８で図面符号２１及び２４で表した電極２１、２４がそうである。これにより、電圧の分極が増加し、それぞれの電極は、ブリッジ電極を介して直列に接続される。

すなわち、本発明の単位セルは、その内部の電極２１〜２５がブリッジ電極を介して互いに直列に接続され、電極２１〜２５及び対向面Ｓの数に比例して電圧が増加する。例えば、対向面Ｓが一箇所である従来の場合は、電圧が３.０Ｖ以下を示すに対し、本発明によれば、電極２１〜２５の数、すなわち、設計された電極の対向面Ｓの数の増加により５.０Ｖ、７.０Ｖ.....ＮＶまで電圧が増加する。

また、本発明の単位セルは、耐電圧が高く、単位セルの内部で電圧の分配が行われ、３.０Ｖ以上の高電圧を印加しても電解質が分解されない。
また、本発明によれば、単位セルの電圧を増加させるため、高いエネルギー貯蔵量を有する。すなわち、エネルギー貯蔵量は、電圧の二乗に比例するが、本発明の単位セルは、電圧の増加の二乗に比例する高いエネルギー貯蔵量を有することが可能である(エネルギー貯蔵量=１/２ＣＶ^２、Ｃ=容量(F)、Ｖ=電圧)。

例えば、２.５Ｖ、１０Ｆの最大エネルギー貯蔵量は、３１.２５Ｊに示されるが、本発明により、電圧が２倍増加する場合、最大エネルギー貯蔵量は、１２５Ｊに示され、容量を２倍に増加した６２.５Ｊ値よりも著しく向上した最大エネルギー貯蔵量を具現することができる。

本発明による電気二重層キャパシタは、以上説明した単位セルを一つまたは２つ以上を有してもよい。このとき、２つ以上の単位セルを有する場合、各単位セル間の接続は、直列、並列または直/並列混合接続を含む。

また、上述のように高い耐電圧及びエネルギー貯蔵密度を有することにより、本発明による電気二重層キャパシタは、一つの単位セル(単セル)でも構成することができ、単位セルを構成するにあたって、電極２１〜２５の数の設定により高い耐電圧を持たせることができる。このように、電気二重層キャパシタを一つの単位セル(単セル)で構成する場合、ＩＣ及びバックアップ電源や電気自動車用に応用するために従来のように２つ以上の単位セルを直列に接続する工程が省かれ、製造過程が単純になる。

また、本発明によれば、一つの単位セル内の電極２１〜２５の数は、容量及び制限されたサイズ内で十以下とすることが好ましい。電極２１〜２５の数が増加すると、電圧の増加による利点はあるが、単位セル内に十を超えた数で電極２１〜２５が設計されると、漏れ電流が増加し、貯蔵エネルギーの損失を招くこともあり、安定した電圧の使用を制限することもある。

さらに、電極２１〜２５の数を適切に設計し、単位セルの耐電圧及び動作電圧は、５.０〜１０.０Ｖを持たせる場合、漏れ電流の増加を制限することができ、安定した電圧の使用などの点で有利であり、好ましい。

本発明による電気二重層キャパシタは、以上説明した単位セルの一つまたは２つ以上が接続され、各種の電気・電子機器の補助電源、ＩＣバックアップ電源などはもちろん、玩具、ＵＰＳ、太陽熱エネルギーの貯蔵、ＨＥＶ電源などに有用に使用することができる。

以下、本発明の具体的な試験実施例を説明する。しかし、下記の実施例は、本発明をより詳しく説明するための一例に過ぎず、これにより、本発明の技術的範囲が限定されるものではない。
[実施例１]
通常の電気二重層キャパシタ用活性炭電極にそれぞれ一つずつの端子３０を引き出して任意に正電極２１と負電極２２とに区分し、これらの２つの電極２１、２２を水平に配置し、これらの二つの電極２１、２２と絶縁紙とを挟んで対向するように別のブリッジ電極２３を配置して図５に示すように積層した(電極の数:３つ、図５の構造)。このとき、これらの電極２１、２２及び２３の厚さは、０．０１７ｃｍ、幅は３．１ｃｍとするが、前記これらの電極２１、２２及び２３のうち、正電極２１と負電極２２との長さは、それぞれ５ｃｍ、ブリッジ電極２３は、１０ｃｍで切って使用しており、前記正電極２１と負電極２２との間の間隔ｄは、約１０ｍｍとした。次いで、φ３巻芯径を有する巻回機で絶縁紙のみを約３回回転させ、正電極２１と負電極２２とが接続されないようにし、円筒状の単位セルの素子を準備した。次に、上述のように準備された素子に電解液を注入し、ゴムパッドでシーリングし本実施例によるサンプルを完成した。

[比較例１]
円筒状の単位セル素子を準備するにあたって、図１に示すように、二つの電極２ａ、２ｂが絶縁紙を挟んで対向できるように配置したことを除いては、前記実施例1と同様に実施した(電極の数:２つ、図１の構造)。このとき、電極２ａ、２ｂの厚さは、０．０１７ｃｍ、幅は、３．１ｃｍ、長さは、１０ｃｍとした。
次いで、上記のように準備された素子に前記実施例１でのように電解液を注入し、ゴムパッドでシーリングして本比較例によるサンプルを完成した。

<充放電特性及び動作電圧の安定性の評価>
前記実施例１及び比較例１によるサンプルに対して充放電試験機(日本、TOYO SYSTEM、TOSCAT-3100)を用いて５０ｍＡ、１００ｍＡ電流で５.０Ｖまで１時間充電を行った後、５０ｍＡ、１００ｍＡで放電を行い、各サンプルの電圧別容量、放電電流別容量、放電曲線の動作電圧の安定性に対して測定した。その結果を図９乃至図１１に示した。

図９及び図１０は、実施例１(図５の構造)及び比較例１(図１の構造)によるサンプルの５０ｍＡ、１００ｍＡ放電グラフである。
図９に示すように、５.０Ｖに充電された後、放電が始まるとき、比較例１の低電圧サンプルは、４.０Ｖまで急速な電流ドロップ(Drop)現象が生じ、4、０Ｖから正常な定電流放電が始まっているが、実施例１の高電圧サンプルは、５.０Ｖで電流ドロップが生じず、継続して正常な定電流放電が行われることが分かる。

また、図１０から明らかなように、１００ｍＡで比較例１の場合は、電流ドロップが生じ、３.５Ｖから正常な放電が行われるが、実施例１の場合は、５.０Ｖから正常に１００ｍＡ放電が行われることが分かる。

図１１は、実施例１及び比較例１によるサンプルの７.０Ｖまでの電圧安定性に対するＣ-Ｖ曲線である。
図１１に示すように、比較例１の場合には、３.０Ｖ以上で急激な内部反応が起き、４．５Ｖ以上ではセルが動作しないことが分かる。これに対し、実施例１の場合には、大きくは７.０Ｖ、小さくは６.０Ｖでも安定していることが認められる。

[実施例２]
円筒状の単位セル素子を準備するにあたって、図６に示すように、電極を配置したことを除いては、前記実施例１と同様に実施した(電極の数:４つ、図６の構造)。このとき、前記各電極２１、２２、２３及び２４の厚さは、０．０１７ｃｍ、幅は、３．１ｃｍ、長さは、５ｃｍとし、水平に配置された電極間の間隔は、約１０ｍｍとした。
次いで、上記のように準備された素子に前記実施例１でのように電解液を注入し、ゴムパッドでシーリングして本実施例によるサンプルを完成した。前記サンプルに対して実施例１と同様な方法で７.０ＶまでのＣ−Ｖ曲線を測定してその結果を図１２に示した。

[実施例３]
円筒状の単位セル素子を準備するにあたって、図７に示すように電極を配置したことを除いては前記実施例１と同様に実施した(電極の数:５つ、図７の構造)。このとき、前記各電極２１、２２、２３、２４及び２５の厚さは、０．０１７ｃｍ、幅は、３．１ｃｍ、長さは、５ｃｍとし、水平に配置された電極間の間隔は、約１０ｍｍとした。
次いで、準備された素子に前記実施例１でのように電解液を注入し、ゴムパッドでシーリングして本実施例によるサンプルを完成した。前記サンプルに対して実施例１と同様な方法で７.０ＶまでのＣ-Ｖ曲線を測定してその結果を図１３に示した。

図１１（実施例１、電極の数３つ)、図１２(実施例２、電極の数４つ)及び図１３(実施例３、電極の数５つ)に示すように、電極の数を増加する場合、Ｃ-Ｖ曲線で電流の値が漸次安定した電流値を有することが分かる。
また、前記実施例１(図５の構造)、実施例２(図６の構造)及び実施例３(図７の構造)のサンプルを作製するにあたって、電極の厚さ、幅、長さの調節による容量値の予測が可能であるかを確認するために、下記の[表１]、[表２]及び[表３]に示すように電極の長さに基づいて容量値を予測し、電圧別測定により容量値が合致するかを確認した。このとき、電極の体積当たり容量は、１３.５Ｆ/ｃｃである。

上記の[表１]乃至[表３]から明らかなように、電極の長さを整数倍で増加させるとき、対向面から容量が２つ発生するため、コンデンサ直列接続容量が１/２に減少することが分かる。また、[表１]から明らかなように、電極が３つである場合、すなわち、電極の対向面Ｓが２つである場合、２Ｖ充電時の容量よりも４Ｖ充電時の容量が予測容量と類似な値を有することが分かり、[表２]から明らかなように、電極が４つである場合、すなわち、電極の対向面Ｓが３つである場合、２Ｖ充電時の容量よりも６Ｖ充電時の容量が予測容量と類似な値を有することが分かる。これは、電極の対向面Ｓの数により定格電圧が４Ｖ以上を有することを明らかにすると言える。

従って、図９及び図１０から明らかなように、本発明の実施例１は、充電後放電開始時に、充電の終止電圧５.０Ｖから定電流の放電が行われるが、従来の技術による比較例１は、５.０Ｖ充電後にも放電は、約４.０Ｖまで１.０Ｖドロップが生じた後、放電が始まることが分かる。すなわち、従来の比較例１は、充電は可能であるが、放電が始まると、電圧のドロップが生じることになる。これは、実施例１の電圧の安定性が比較例１に比べて安定していることを意味する。

また、上記のような結果から従来の比較例１の場合、定格電圧よりも高い電圧で充電及び放電が起こる場合、キャパシタから正常な電流放電に問題が生じ、激しい電流ドロップにより、キャパシタの寿命短縮の致命的な原因につながるとも言えるだろう。これに対し、電圧が安定している本発明の実施例１の場合、キャパシタは、５.０Ｖまで安定した充電及び放電曲線を有することから、耐電圧及び動作電圧が高いと言える。

一方、Ｃ-Ｖ曲線を示す図１１から明らかなように、本発明の実施例１は、比較例１と比較して７.０Ｖまで内部電流の変化無しに安定した電流値を有することが分かる。

[表１]乃至[表３]から明らかなように、本発明では、電極の長さの変化から予測容量値で設計された電気二重層キャパシタの実際の容量値を確認することにより、電気二重層キャパシタの容量を設計することができ、かつ、対向面の容量値が１/２、１/３に減少することは外部の直列接続により電圧を２倍向上させ、容量は、１/２に減らすことと同じ特性を示すことが認められる。

従来の技術による電気二重層キャパシタの単位セルの積層構造を示す断面構成図である。 図１に示す単位セルが巻回された様子を示す斜視図である。 図２に示す単位セルが圧着されている様子を示す斜視図である。 図１に示す単位セルの電荷分布及び分極された様子を示す断面模式図である。 本発明の第１の実施形態による電気二重層キャパシタの単位セルの積層構造を示す断面構成図である。 本発明の第２の実施形態による電気二重層キャパシタの単位セルの積層構造を示す断面構成図である。 本発明の第３の実施形態による電気二重層キャパシタの単位セルの積層構造を示す断面構成図である。 本発明の第２の実施形態による電気二重層キャパシタの単位セルの電荷分布及び分極された様子を示す断面模式図である。 本発明の実施例による単位セルの５.０Ｖ、５０ｍＡ放電曲線である。 本発明の実施例による単位セルの５.０Ｖ、１００ｍＡ放電曲線である。 本発明の実施例による単位セルの７.０Ｖまでの電圧安定性に対するＣ-Ｖ曲線である。 本発明の実施例による単位セルの７.０Ｖまでの電圧安定性に対するＣ-Ｖ曲線である。 本発明の実施例による単位セルの７.０Ｖまでの電圧安定性に対するＣ-Ｖ曲線である。

符号の説明

１１、１２、１３ 絶縁紙
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 絶縁紙層
２１、２２、２３、２４、２５ 電極
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 電極層
３０ 端子

Claims (7)

1. 電極と絶縁紙とが交互に積層され構成された単位セルを有する電気二重層キャパシタにおいて、
   前記電極が少なくとも３つであることを特徴とする、
   電気二重層キャパシタ。
2. 前記単位セルが、一つの絶縁紙からなる第１の絶縁紙層と、少なくとも２つの電極からなる第１の電極層と、一つの絶縁紙からなる第２の絶縁紙層と、少なくとも一つの電極からなる第２の電極層とが順に積層されている、請求項１の電気二重層キャパシタ。
3. 前記単位セルが、一つの絶縁紙からなる第１の絶縁紙層と、少なくとも一つの電極からなる第１の電極層と、一つの絶縁紙からなる第２の絶縁紙層と、少なくとも２つの電極からなる第２の電極層とが順に積層されている、請求項１の電気二重層キャパシタ。
4. 前記第１の電極層が水平に配置された少なくとも２つの電極からなり、前記電極間の間隔が０.５mm〜２０mmである、請求項２の電気二重層キャパシタ。
5. 前記第２の電極層が水平に配置された少なくとも２つの電極からなり、前記電極間の間隔が０.５mm〜２０mmである、請求項３の電気二重層キャパシタ。
6. 前記単位セルの耐電圧及び動作電圧が５.０〜１０.０Ｖである、請求項１乃至５の何れかの電気二重層キャパシタ。
7. 前記電気二重層キャパシタが一つの単位セル(単セル)を有する、請求項１乃至５の何れかの電気二重層キャパシタ。
   

Images