JP2006313793A - 蓄電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡易な構造でありながら接続抵抗が低く、丈夫で取り付けが容易な蓄電素子を提供する。
【解決手段】 封口板４１の中心より図中右方上部には、材質アルミニウムからなるＬ字状のバスバー１５７が突設されている。バスバー１５７は、胴部１５７ａとこの胴部１５７ａの上端に水平に張り出された張出部１５７ｂとで形成されている。張出部１５７ｂの端部には端子穴１５９が設けられており、直列接続の場合に他の連設された単体セルの正極と接続可能なようになっている。バスバー１５７の胴部１５７ａは、封口板４１と溶接されており、また張出部２５７ｂの距離も最短なので、丈夫でかつ抵抗も小さい。従って、大電流にも対応できる。【選択図】 図１

Description

本発明は蓄電素子に関わり、特に簡易な構造でありながら接続抵抗が低く、丈夫で取り付けが容易な蓄電素子に関する。
電気二重層キャパシタ、電解コンデンサや電池等は、内部の素子体からの集電を行い、この素子体と外部接続用の端子間の電気的な接続を行うための集電構造を有している。従来の集電構造を有する電池である蓄電素子として、特許文献１が知られている。
特許文献１において、蓄電素子は複数並列に配設されている。そして、この各蓄電素子の上部には正極端子及び負極端子が配設され、この正極端子及び負極端子をバスバーで交互に接続することで各蓄電素子を直列に接続している。ここに、このバスバーは蓄電素子とは別個独立した平板状のものであり、一端側には負極端子に貫通される穴が設けられ、他端側には隣接される蓄電素子の正極端子に貫通される穴が設けられている。取り付けの際には、このバスバーの一端側の穴に負極端子を通し、他端側の穴に正極端子を通す。その後、この正極端子及び負極端子に対し上部からボルトを螺入させることでバスバーを固定している。
特開２００２−８３５７９号公報
ところで、従来、バスバーは蓄電素子とは別個独立しているため、直列接続された場合であっても正極端子及び負極端子とバスバー間が構造的に弱く、接続抵抗も大きかった。特に、設置後に何らかの力がバスバーに加わった場合には接続が緩む等して、接続抵抗も大きくなるおそれがあった。このため、正極端子及び負極端子に大電流を流そうとする場合に問題となるおそれがあった。
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、簡易な構造でありながら接続抵抗が低く、丈夫で取り付けが容易な蓄電素子を提供することを目的とする。
このため本発明（請求項１）の蓄電素子は、長尺状の集電箔と、該集電箔の長辺に沿った帯状部を残して前記集電箔の少なくとも片面に形成された長尺状の電極とからなる第１の電極体及び第２の電極体と、前記第１の電極体と前記第２の電極体の間に介在する長尺状のセパレータと、前記第１の電極体及び前記第２の電極体とそれぞれ電気的に接続して電流を外部に取り出す第１の外部端子及び第２の外部端子と、電解液と、前記第１の電極体、前記第２の電極体、前記セパレータ及び電解液を収容し、前記第２の外部端子の機能を有する金属ケースと、前記第１の外部端子を備え、前記ケースを封口するための封口板とを備える蓄電素子であって、前記第１の電極体と前記第２の電極体は、セパレータを介して捲回されて柱状の素子体を形成し、前記第１の電極体の帯状部及び前記第２の電極体の帯状部は互いに反対側にセパレータからはみ出るように配置されており、前記第１の外部端子は前記封口板に保持されており、前記封口板若しくは前記金属ケースには板状のバスバーが溶接され、該バスバーの一部は前記封口板からはみ出して位置する張出部を有し、該張出部には、前記第１の外部端子の底面と略同一の形状の端子穴が形成されていることを特徴とする。
蓄電素子は、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、電池等である。
バスバーは、封口板若しくは金属ケースと溶接されており、また張出部の距離も最短なので、簡易な構造でありながら丈夫でかつ接続抵抗も小さい。従って、大電流にも対応できる。外部端子同士の取り付けも容易である。取り付け後も安定維持される。
また、本発明（請求項２）の蓄電素子は、前記第１の外部端子の底面の面積の８０％以上が前記柱状の素子体の底面の半面に位置するように前記第１の外部端子が配置されている。
第１の外部端子の取り付け位置が柱状の素子体の底面の半面側に殆どが属していることになる。このように第１の外部端子の位置を柱状の素子体の底面の中心位置よりもずらしたことで、第１の外部端子の径を太くしたとしても、残りの半面側にほぼまんべんなくレーザ溶接が可能となる。従って、第１の電極体の帯状部を第１の集電板に対しほぼ均等に電気接続可能となる。即ち、長尺状の集電箔の捲回を解き、展開してみたときに従来見られたような巻き始め側の所定長分について溶接点が一切無いということが無くなる。
以上により、蓄電素子は、第１の外部端子の径を太くできると共に、バスバーと組み合わされたときにも電流効率を向上させ、かつ内部抵抗を減少できる。
更に、本発明（請求項３）の蓄電素子は前記第１の外部端子の底面の面積は、前記柱状の素子体の底面の面積の３〜５０％である。
第１の外部端子の底面の面積は、柱状の素子体の底面の面積の３〜５０％、好ましくは５〜２０％、さらに好ましくは８〜１２％である。
更に、本発明（請求項４）の蓄電素子は、前記第１の電極体と前記封口板との間に、前記第１の電極体と前記第１の外部端子とを電気的に接続するように、前記第１の外部端子と一体形成又は直接接合している第１の集電板を有し、前記第１の電極体の帯状部は、前記第１の集電板にレーザー溶接されている。
第１の集電板により、レーザ溶接が容易に行えると共に第１の電極体の帯状部を第１の集電板に対しほぼ均等に電気接続可能となる。
更に、本発明（請求項５）の蓄電素子は、前記第２の電極体の帯状部は、第２の集電板にレーザー溶接されており、前記第２の集電板には、電流取り出し部が一体形成又は直接接合されており、該電流取り出し部は前記金属ケースと電気的に接合されている。
第２の電極体の帯状部を第２の集電体および電流取り出し部を介して金属ケースと接合したことで簡単な構造とすることができる。特に第２の集電体と電流取り出し部が一体形成されていると、部品点数が減り取り扱い性がよくなる点で好ましい。
以上説明したように本発明によれば、封口板若しくは金属ケースには板状のバスバーが溶接され、バスバーの一部は封口板からはみ出して位置する張出部を有し、この張出部には、第１の外部端子の底面と略同一の形状の端子穴を形成したので、バスバーは簡易な構造でありながら丈夫でかつ接続抵抗も小さくできる。従って、大電流にも対応できる。外部端子同士の取り付けも容易で取り付け後も安定維持される。
以下、本発明の実施形態について説明する。ここでは第１の電極体が正極体、第２の電極体が負極体である場合について説明するが、正極と負極が反対であってもかまわない。
本発明の実施形態である集電構造を有する電気二重層キャパシタの縦断面図及び平面図を図１に示す。また、本発明の素子体の構成図を図２に、図２中のＢ矢視線図（セパレータを省略したもの）を図３に示す。
図１〜図３において、本発明の電気二重層キャパシタの単体セル１００は、従来の単体セル５０と同様に、図示しない電解液が含浸された柱状の素子体１０１が、外装容器２１及び封口板４１により密閉収容されている。外装容器２１及び封口板４１共に材質がアルミニウムで形成されている。
このとき、本発明の素子体１０１の正極及び負極を構成する電極体１０３Ａ、１０３Ｂは、長尺帯状の集電箔１０７Ａ、１０７Ｂと、この集電箔１０７Ａ、１０７Ｂの両面にその長手方向の１辺の全長に沿った端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂを残して形成された電極層９Ａ、９Ｂとを有している。
なお、電極層９Ａ、９Ｂには、従来の電極体３Ａ、３Ｂと同様に、集電箔１０７Ａ、１０７Ｂに電気二重層を形成し蓄電機能を果たすため、高比表面積材料が用いられる。また、電極層９Ａ、９Ｂは、それぞれ集電箔１０７Ａ、１０７Ｂの両面に形成されても良い。さらに、図３では、電極体１０３Ａ、１０３Ｂにおいて、その端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂと逆側の１辺にも帯部１０８Ｃ、１０８Ｄが僅かに残されているが、この帯部１０８Ｃ、１０８Ｄは、電極体１０３Ａ、１０３Ｂを製造する上で、集電箔１０７Ａ、１０７Ｂと電極層９Ａ、９Ｂとの間に必要な余裕を示したものに過ぎず、素子体１０１のエネルギー密度の観点からは、設けない方が好ましい。
そして、この電極体１０３Ａ、１０３Ｂは、それぞれの端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂが、セパレータ５Ａ、５Ｂの長手方向に沿って互いに反対側にセパレータ５Ａ、５Ｂより突出するように捲回されており、これにより柱状の素子体１０１が形成されるようになっている。なお、この素子体１０１の最外周部分には、電極体１０３Ａあるいは電極体１０３Ｂを覆うべく、図示しない絶縁部材が配置されるようになっている。この絶縁部材は、セパレータ５であると好ましい。電極体１０３Ａ、１０３Ｂよりも長尺状のセパレータ５を用いて捲回すれば、セパレータ５により最外周部分が覆われた素子体１０１が容易に得られるため好ましい。
そして、このように形成された素子体１０１の渦巻き様の両端面からは、それぞれ電極体１０３Ａ、１０３Ｂの端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂが別々に露出されている。また、この端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂには、集電板１４１Ａ、１４１Ｂが接合されるようになっている。
集電板１４１Ａの上部には円柱状の正極端子１５１が溶着されている。この正極端子１５１は、従来の単体セル５０と異なり集電板１４１Ａの中心より図中左方に正極端子１５１の全体が属するように位置されている。図１では、丁度正極端子１５１の右端が集電板１４１Ａの中心に位置されている。正極端子１５１の周囲にはセンター端子１５３が配設され、その外周にはナット１５５が配設され、絶縁ワッシャ２９を押止している。
一方、集電板１４１Ｂの下部には円柱状の負極端子１６３が溶着されている。この負極端子１５１も、正極端子１５１と同様に集電板１４１Ｂの中心より図中左方に負極端子１６３の全体が属するように位置されている。図１では、丁度負極端子１６３の右端が集電板１４１Ｂの中心に位置されている。負極端子１６３は外装容器２１と接続されている。
また、封口板４１の中心より図中右方上部には、材質アルミニウムからなるＬ字状のバスバー１５７が突設されている。バスバー１５７は、胴部１５７ａとこの胴部１５７ａの上端に水平に張り出された張出部１５７ｂとで形成されている。張出部１５７ｂの端部には端子穴１５９が設けられており、直列接続の場合に他の連設された単体セルの正極と接続可能なようになっている。また、胴部１５７ａには、一方向弁取り付け用穴１６１が設けられており、この穴は封口板４１を貫通している。
そして、この一方向弁取り付け用穴１６１には一方向弁が取り付けられるようになっている。この一方向弁取り付け用穴１６１からは注液が可能であり、一方向弁は内圧が上昇したときにガスを外部に出す安全弁としての機能を有している。
バスバー１５７の胴部１５７ａは、封口板４１と溶接されており、また張出部２５７ｂの距離も最短なので、従来のようにバスバーが別体に配設されていた場合に比べ丈夫でかつ抵抗も小さい。従って、大電流にも対応できる。取付に際しても、負極側の接続作業は不要なので簡単である。
次に、集電板１４１Ａ、１４１Ｂの構成図を図４及び図５に示す。
図４、図５において、集電板１４１Ａ、１４１Ｂは点対称の形状を有し、素子体１０１の捲回断面と略同面積を有する円板状の板部１４３Ａ、１４３Ｂを有し、捲回断面と平行な方向に配置されている。そして、この板部１４３Ａ、１４３Ｂの一方の面には、電極体１０３Ａ、１０３Ｂの端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂが接合されている。このとき、端部帯状部１０８Ａ、１０８Ｂと板部１４３Ａ、１４３Ｂとの接合には、機械的押し付け、導電性接着剤等による導電接着があるが、機械的、電気的に信頼性の高い溶接接合が好ましい。また、この溶接法には、超音波溶接、ＹＡＧ等のレーザー溶接、電子ビーム溶接法が好適に用いられる。
そして、この溶接では、板部１４３Ａ、１４３Ｂの中心部１４５Ａ、１４５Ｂから外周端までの距離が均等になるように、中心部から外周に向かって放射状に溶接されることが望ましい。但し、この放射状の溶接は正極端子１５１、負極端子１６３を避けるように、板部１４３Ａ、１４３Ｂの図中右半面内にのみ施されている。図４に一体化された正極端子１５１と集電板１４１Ａの平面図及び側面図を示し、図５に一体化された負極端子１６３と集電板１４１Ｂの平面図及び側面図を示す。
図４、図５に示すように、集電板１４１Ａと端部帯状部１０８Ａ間、集電板１４１Ｂと端部帯状部１０８Ｂ間は、板部１４３Ａ、１４３Ｂの中央部から放射線状に線溶接される（線溶接部分を図４、図５中線溶接部１４７Ａ、１４７Ｂで示す）。線溶接を点対称中心（中心部１４５Ａ、１４５Ｂ）に対して対称になるような角度で行うと、効果的に接触抵抗を低減でき好ましい。
このように、放射状の溶接を板部１４３Ａ、１４３Ｂの図中右半面内にのみ施したとしても、長尺帯状の電極体１０３Ａ、１０３Ｂを展開してみると、巻き始めから巻き終わり部分までにほぼ溶接点が均等に配置されることとなる。従って、従来のように巻き始め側の所定長分について溶接点が一切無いということが無くなる分抵抗値は下がり、電流効率が良くなる。
また、電極端子の径が大きくされても長尺帯状の電極体１０３Ａ、１０３Ｂを展開したときに巻き始めから巻き終わり部分までにほぼ溶接点を均等に配置することが可能なので従来に比べ抵抗値を下げ、電流効率を良くすることが可能である。この電極端子の径の大きさを従来と比較してみると、従来の単体セル５０と本発明の単体セル１００の外装容器２１の外径は共に４５ｍｍで同一である一方で、従来の単体セル５０の正極端子２３の直径が８ｍｍであったのに対し、本発明の単体セル１００の正極端子１５１の直径が１４ｍｍと拡大されている。
なお、この溶接は、放射状に限定されるものではなく、例えば図６に示すように正極端子１７１を板部１４３Ａ、１４３Ｂの図中左半面内にのみ属するように配設し、線溶接１７３が図中横方向に引かれるものであってもよいし、図７に示すように、線溶接１７５が図中縦方向に引かれるもの等でもよい。これらの場合であっても、長尺帯状の電極体１０３Ａ、１０３Ｂを展開してみると、巻き始めから巻き終わり部分までにほぼ溶接点が均等に配置されるので、放射状に溶接した場合と同様の効果を得ることができる。電極端子の形状は円とは限らず、左半面内に属するように楕円形等とされてもよいし、角状等とされてもよい。
なお、上記では、従来の単体セル５０と異なり集電板１４１Ａ、１４１Ｂの中心より図４〜図７左方に正極端子１５１、負極端子１６３の全体が属するように位置されているとし、かつ溶接を板部１４３Ａ、１４３Ｂの図４〜図７中右半面内にのみ施すとして説明したが、必ずしもこれに限定するものではなく、正極端子１５１、負極端子１６３を集電板１４１Ａ、１４１Ｂ中心から幾分かずらし、そのずらした箇所にも溶接が行き届くようにされれば、従来よりも抵抗値を下げ、電流効率を良くすることが可能である。
このずらしは、例えば正極端子１５１、負極端子１６３の底面の面積の８０パーセントが板部１４３Ａ、１４３Ｂの図４、図５中左半面内に存在させる程度であってもよい。長尺帯状の電極体１０３Ａ、１０３Ｂを展開したときに、巻き始めから巻き終わり部分までにほぼ溶接点が均等に配置しているとは言えないまでも、巻き始めから巻き終わり部分までに溶接点の存在しない範囲が従来に比べて格段に狭まるからである。
次に、バスバー構造の別態様について説明する。
上記では、封口板４１をアルミニウムで製作するとして説明したが、この封口板をフェノール、ＰＰ、ＰＰＳ等の樹脂で形成するものである。図８に封口板及びバスバー構造の平面図及び縦断面図を示す。外装容器２１の内側には樹脂からなる封口板２０１が取り付けられている。この封口板２０１には、一方向弁を取り付けるための一方向弁装着部２０５が、内側に穴２０３を有しつつ筒状に突設されている。一方、図８中、封口板２０１の中心より左部には材質がアルミニウムからなる筒状のセンター端子２０７が封口板２０１に貫通固定されている。
バスバー２５７の胴部２５７ａは、中空かつ外装容器２１から延長されており、胴部２５７ａの上端右方には水平に張り出された板状の張出部２５７ｂを有している。バスバー２５７の胴部２５７ａ下端面は、外装容器２１と溶接されている。張出部１５７ｂの端部には端子穴１５９が設けられており、直列接続の場合に他の連設された単体セルの正極と接続可能なようになっている。
このことにより、封口板及びバスバーの製造が簡単かつ安価にできる。バスバー２５７の胴部２５７ａは、外装容器２１と溶接されており、また張出部２５７ｂの距離も最短なので、丈夫でかつ抵抗も小さい。従って、大電流にも対応できる。
以上のような本発明の集電構造を有する電気二重層キャパシタの最適例について説明する。
正極及び負極を構成する電極体１０３Ａ、１０３Ｂに用いられる集電箔１０７Ａ、１０７Ｂの材質は、正極側の電気化学耐食性に優れるものであれば特に限定されないが、加工性、軽量化の点でアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼の箔材が好適である。
また、電極層９Ａ、９Ｂに用いられる高比表面積材料は、比表面積１００〜３０００ｍ2／ｇの炭素質材料を主体として形成され、フェノール等の樹脂系、やしがら系、コークス系又はピッチ系の活性炭、及びカーボンナノチューブ、カーボンエアロゲル、ポリアセン等が好ましく使用でき、導電助剤としてはカーボンブラック、炭素短繊維、金属ファイバが好適である。さらに、正極と負極に用いられる電極層９Ａ、９Ｂは同じ材料で構成されても良いし、異なる材料で構成されても良い。
また、セパレータ５Ａ、５Ｂの材質は、イオン透過性を有する部材であれば良く、電気絶縁性と電解液に対する化学的安定性、電解液の吸液量が多く保液性に優れる多孔質材料からなることが好ましい。具体的には、ガラス繊維、シリカファイバ、アルミナファイバ、アスベスト、及びこれらのウィスカ等の無機材料や、マニラ麻紙、セルロース紙、クラフト紙、レーヨン繊維とサイザル麻の混沙紙等の紙材料、ポリオレフィン、ポリエステル等の合成ポリマー繊維等の有機材料からなることが好ましい。また、それらを抄造したシート、延伸操作によって微孔を設けたマイクロポーラスフィルム等が好ましい。
さらに、集電板１４１Ａ、１４１Ｂの材質は、集電箔１０７Ａ、１０７Ｂと同じ材質が望ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼が最適である。なお、設計時の加工性及び単体セル１００の低抵抗化を考慮すると、集電板１４１Ａ、１４１Ｂの厚さは０．３ｍｍ以上であることが好ましく、また１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、端子１５１、１６３の材質は、抵抗を低くするために、集電箔１０７Ａ、１０７Ｂと同じ材質が望ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼が最適であるが、銅を使用することも可能である。
電気二重層キャパシタの縦断面図及び平面図 本発明の素子体の構成図 図２中のＢ矢視線図（セパレータを省略したもの） 集電板の構成図（正極） 集電板の構成図（負極） 溶接方法の別例 溶接方法の別例 封口板及びバスバー構造の平面図及び縦断面図を示す別例
符号の説明
５ セパレータ
９Ａ、９Ｂ 電極層
２１ 外装容器
４１ 封口板
１００ 単体セル
１０１ 素子体
１０３Ａ、１０３Ｂ 電極体
１０７Ａ、１０７Ｂ 集電箔
１０８Ａ、１０８Ｂ 端部帯状部
１４１Ａ、１４１Ｂ 集電板
１４３Ａ、１４３Ｂ 板部
１４７Ａ、１４７Ｂ、１７３、１７５ 線溶接部
１５１、１７１ 正極端子
１５３ センター端子
１５５ ナット
１５７、２５７ バスバー
１５７ａ、２５７ａ 胴部
１５７ｂ、２５７ｂ 張出部
１５９ 端子穴
１６１ 一方向弁取り付け用穴
１６３ 負極端子
２０５ 一方向弁装着部

Claims (5)

  1. 長尺状の集電箔と、
    該集電箔の長辺に沿った帯状部を残して前記集電箔の少なくとも片面に形成された長尺状の電極とからなる第１の電極体及び第２の電極体と、
    前記第１の電極体と前記第２の電極体の間に介在する長尺状のセパレータと、
    前記第１の電極体及び前記第２の電極体とそれぞれ電気的に接続して電流を外部に取り出す第１の外部端子及び第２の外部端子と、
    電解液と、
    前記第１の電極体、前記第２の電極体、前記セパレータ及び電解液を収容し、前記第２の外部端子の機能を有する金属ケースと、
    前記第１の外部端子を備え、前記ケースを封口するための封口板と
    を備える蓄電素子であって、
    前記第１の電極体と前記第２の電極体は、セパレータを介して捲回されて柱状の素子体を形成し、
    前記第１の電極体の帯状部及び前記第２の電極体の帯状部は互いに反対側にセパレータからはみ出るように配置されており、
    前記第１の外部端子は前記封口板に保持されており、
    前記封口板若しくは前記金属ケースには板状のバスバーが溶接され、該バスバーの一部は前記封口板からはみ出して位置する張出部を有し、
    該張出部には、前記第１の外部端子の底面と略同一の形状の端子穴が形成されていることを特徴とする蓄電素子。
  2. 前記第１の外部端子の底面の面積の８０％以上が前記柱状の素子体の底面の半面に位置するように前記第１の外部端子が配置されている請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記第１の外部端子の底面の面積は、前記柱状の素子体の底面の面積の３〜５０％である請求項１又は２に記載の蓄電素子。
  4. 前記第１の電極体と前記封口板との間に、前記第１の電極体と前記第１の外部端子とを電気的に接続するように、前記第１の外部端子と一体形成又は直接接合している第１の集電板を有し、
    前記第１の電極体の帯状部は、前記第１の集電板にレーザー溶接されている請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電素子。
  5. 前記第２の電極体の帯状部は、第２の集電板にレーザー溶接されており、
    前記第２の集電板には、電流取り出し部が一体形成又は直接接合されており、
    該電流取り出し部は前記金属ケースと電気的に接合されている請求項１又は２に記載の蓄電素子。
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