JP2007157811A - Winding electric double-layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は各種電子機器に使用される巻回形電気二重層コンデンサに関するものである。 The present invention relates to a wound electric double layer capacitor used in various electronic devices.
図4(a)、(b)はこの種の従来の巻回形電気二重層コンデンサの構成を示した分解斜視図と同コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図であり、図4において、31はコンデンサ素子を示し、このコンデンサ素子31は陽極電極34と陰極電極35をその間にセパレータ36を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。
4 (a) and 4 (b) are an exploded perspective view showing the configuration of a conventional wound electric double layer capacitor of this type and a developed perspective view showing the configuration of a capacitor element used in the capacitor, In FIG. 4,
また、上記陽極電極34と陰極電極35は、金属箔からなる集電体(図示せず)の両面に分極性電極層(図示せず)を夫々形成することにより構成されたものであり、さらに、陽極電極34と陰極電極35には陽極リード線32と陰極リード線33が夫々接続されているものである。
The
そして、このように構成されたコンデンサ素子31は、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に有底円筒状の金属ケース38内に挿入し、陽極リード線32と陰極リード線33が挿通する孔を有したゴム製の封口部材37を金属ケース38の開口部に配設した後、金属ケース38の開口部の外周を内側に絞り加工して封止を行っているものである。
The
また、上記陽極電極34と陰極電極35に形成された分極性電極層は、活性炭粉末と導電性付与剤であるカーボンブラック、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース(以下、CMCと略す)の水溶性バインダーを混合して混練機で充分に混練してペーストを作製し、このペーストをアルミニウム箔からなる集電体の表裏面に塗布、乾燥することにより形成したものであり、陽極電極34ならびに陰極電極35共に、略同じ寸法に形成されたものである。
The polarizable electrode layer formed on the
また、陽極リード線32と陰極リード線33は、集電体であるアルミニウム箔との接続を良好にするために、接続部分は分極性電極層が部分的に除去されて、集電体であるアルミニウム箔を露出させているものである。
Also, the
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1、特許文献2が知られている。
しかしながら上記従来の巻回形電気二重層コンデンサでは、陽極電極34の容量と陰極電極35の容量を同じ容量に設計しているため、電気二重層コンデンサに電圧を印加した際、陽極電極34と陰極電極35は自然電位より同じ幅だけ分極されることになり、これにより、各電極の分極性電極層の表面で電気化学反応が起きてガス発生や抵抗増加、及び容量減少等の特性劣化が発生するという課題を有したものであった。
However, in the above-described conventional wound electric double layer capacitor, the capacity of the
また、陽極電極34と陰極電極35とをセパレータ36を介在させて巻回した際に、陽極電極34が陰極電極35よりも少し長くなり、陽極電極34がはみ出すことがあり、このように陽極電極34がはみ出した状態で長時間使用すると、陰極電極35の先端と陽極電極34の間で駆動用電解液が化学反応を起こして電解質アニオンのBF4 -、PF6 -等が陽極側に引き寄せられ、その周辺部が酸性となってセパレータ36を劣化させてしまい、特性劣化が生じるという問題があった。
Further, when the
本発明はこのような従来の課題を解決し、分極性電極層の表面での電気化学反応を抑制して特性劣化の少ない高性能の巻回形電気二重層コンデンサを提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide a high-performance wound electric double layer capacitor that suppresses an electrochemical reaction on the surface of a polarizable electrode layer and has little characteristic deterioration. Is.
上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体の両面に分極性電極層を形成すると共にリード線を接続した陽極電極と、この陽極電極と同様に形成された陰極電極とを、その間にセパレータを介在させて巻回することにより構成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を駆動用電解液と共に収容した有底筒状の金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した開口部材からなる巻回形電気二重層コンデンサにおいて、上記コンデンサ素子を構成する陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも一周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成にしたものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides an anode electrode in which a polarizable electrode layer is formed on both sides of a current collector made of metal foil and a lead wire is connected, and a cathode electrode formed in the same manner as the anode electrode. A capacitor element formed by winding a separator between them, a cylindrical metal case with a bottom containing the capacitor element together with a driving electrolyte, and an opening of the metal case sealed In the wound electric double layer capacitor comprising the opening member, a polarizable electrode layer formed on the cathode electrode at least one turn from the winding end portion of the polarizable electrode layer formed on the anode electrode constituting the capacitor element is provided. A structure in which a portion where polarizable electrode layers formed on the cathode electrode face each other via a separator is provided on the outermost peripheral surface of the capacitor element by winding. A.
以上のように本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、コンデンサ素子の陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも一周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極を構成する集電体等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極層の電位を設定することが可能になり、また、陽極電極の表面に電解質アニオンであるBF4 -、PF6 -等が集中して酸性になることが無いためにセパレータの劣化が無く、これにより、電気化学反応によって生じるガス発生、抵抗増加や容量減少も無くなり、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを実現することができるという効果が得られるものである。 As described above, the wound electric double layer capacitor according to the present invention winds the polarizable electrode layer formed on the cathode electrode at least one turn from the winding end portion of the polarizable electrode layer formed on the anode electrode of the capacitor element. By rotating the outermost peripheral surface of the capacitor element, a portion where the polarizable electrode layers formed on the cathode electrode face each other with a separator interposed therebetween is used, so that the driving electrolyte and each current collector constituting each electrode are configured. It is possible to set the potential of the polarizable electrode layer in an electrochemically stable region where a member such as a body does not cause an electrochemical reaction, and BF 4 − , which are electrolyte anions on the surface of the anode electrode, PF 6 - like without deterioration of the separator for it not become acidic and concentrated, Thus, the gas generation caused by the electrochemical reaction, eliminating the resistance increases and the capacitance decreases, less characteristic degradation In which there is an advantage that it is possible to realize a winding type electric double layer capacitor reliability.
(実施の形態)
以下、実施の形態を用いて、本発明の特に全請求項に記載の発明について説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, the invention described in the entire claims of the present invention will be described using embodiments.
図1は本発明の一実施の形態による巻回形電気二重層コンデンサに使用されるコンデンサ素子の構成を示した展開斜視図であり、図1において、1はコンデンサ素子を示し、このコンデンサ素子1は陽極電極2と陰極電極3をその間にセパレータ4を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a capacitor element used in a wound electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a capacitor element. Is constituted by winding the
また、上記陽極電極2と陰極電極3は、後述する金属箔からなる集電体5の両面に分極性電極層6または7を夫々形成することにより構成されたものであり、さらに、陽極電極2と陰極電極3には陽極リード線8と陰極リード線9が夫々接続されており、この陽極リード線8と陰極リード線9の接続は、図2(a)、(b)にその詳細を示すように、陽極電極2に形成された分極性電極層6(陰極電極3に形成された分極性電極層7も同じ)の一部を除去して集電体5を露出させ、この露出させた部分に陽極リード線8を冷間圧接、超音波溶接等で接続するようにしたものである。
The
さらに、上記陽極電極2に形成された分極性電極層6の巻き終わりから1周分を陰極電極3に形成された分極性電極層7が巻回するように構成している(図1においては、陰極電極3を陽極電極2よりもL1だけ長くすることにより、最外周面は陰極電極3に形成された分極性電極層7どうしがセパレータ4を介して対向することになる)ものである。
Further, the polarizable electrode layer 7 formed on the
そして、このように構成されたコンデンサ素子1は、陽極リード線8と陰極リード線9を図示しないゴム製の封口部材に設けられた孔に挿通して封口部材を装着し、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に図示しない有底円筒状の金属ケース内に挿入すると共に上記封口部材を金属ケースの開口部に配設し、この金属ケースの開口部に横絞り加工とカーリング加工を施すことによって上記封口部材を介して封止を行っているものである。
The thus configured capacitor element 1 has the
また、上記陽極電極2と陰極電極3に夫々形成された分極性電極層6,7を構成する活性炭粉末としては、木粉系、ヤシガラ系、フェノール樹脂系、石油コークス系、石炭コークス系、ピッチ系の原料を賦活したものが用いられる。
Further, as the activated carbon powder constituting the polarizable electrode layers 6 and 7 formed on the
また、駆動用電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートまたはメチルエチルカーボネートのいずれか1種もしくは2種以上の混合物が用いられる。また、電解質カチオンとしては、第四級アンモニウム、第四級ホスホニウム、イミダゾリウム塩が使用され、一方、電解質アニオンとしては、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -またはN(CF3SO2)2 -が用いられる。 In addition, as a solvent for the driving electrolyte, one or a mixture of two or more of propylene carbonate, γ-butyrolactone, ethylene carbonate, sulfolane, acetonitrile, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate is used. In addition, quaternary ammonium, quaternary phosphonium, and imidazolium salts are used as electrolyte cations, while BF 4 − , PF 6 − , ClO 4 − , CF 3 SO 3 − or N are used as electrolyte anions. (CF 3 SO 2 ) 2 - is used.
このように、コンデンサ素子1の陽極電極2に形成された分極性電極層6の巻き終わり部分から少なくとも1周分を陰極電極3に形成された分極性電極層7を巻回することにより、コンデンサ素子1の最外周面に、陰極電極3に形成された分極性電極層7どうしがセパレータ4を介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極2,3を構成する集電体5等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極6,7の電位を設定することが可能になり、これにより、電気化学反応が起きることによるガス発生、抵抗増加や容量減少もなくなるため、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを得ることができるようになるものである。
Thus, by winding the polarizable electrode layer 7 formed on the
また、陽極電極2に接続された陽極リード線8の表面に分極性電極層6を形成した構成にすることにより、駆動用電解液の化学反応により電解質アニオンであるBF4 -、PF6 -等が集中して酸性になることがないため、セパレータ4の劣化を防ぐことができるようになるものである。
Further, by forming the polarizable electrode layer 6 on the surface of the
以下、具体的な実施例について説明する。 Specific examples will be described below.
(実施例1)
金属箔からなる集電体として、厚さ30μmの高純度アルミニウム箔(AL:99.99%以上)を使用し、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングしてアルミニウム箔の表面を粗面化した。
Example 1
As a current collector made of metal foil, a high-purity aluminum foil (AL: 99.99% or more) having a thickness of 30 μm was used, and the surface of the aluminum foil was roughened by electrolytic etching in a hydrochloric acid-based etching solution. .
次に、このアルミニウム箔の両面に分極性電極層を形成した。この分極性電極層の形成は、平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭粉末と、導電性付与剤として平均粒径0.05μmのカーボンブラック、CMCを溶解した水溶性バインダー溶液を10:2:1の重量比に混合して混練機で充分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製した。続いて、このペーストをアルミニウム箔の表面に塗布して、100℃の大気中で1時間乾燥して分極性電極層を形成した。 Next, polarizable electrode layers were formed on both sides of the aluminum foil. The polarizable electrode layer is formed by using a phenol resin activated carbon powder having an average particle size of 5 μm, carbon black having an average particle size of 0.05 μm as a conductivity imparting agent, and a water-soluble binder solution in which CMC is dissolved in 10: 2: 1. After mixing in a weight ratio of the above and sufficiently kneading with a kneader, methanol and water dispersion solvents were added little by little and further kneaded to prepare a paste having a predetermined viscosity. Then, this paste was apply | coated to the surface of aluminum foil, and it dried in 100 degreeC air | atmosphere for 1 hour, and formed the polarizable electrode layer.
次に、この分極性電極層が形成されたアルミニウム箔を、陽極電極として40×475mm、陰極電極として40×535mmの寸法に切断することにより、陽極電極と陰極電極を夫々作製した。 Next, the aluminum foil on which the polarizable electrode layer was formed was cut into dimensions of 40 × 475 mm as an anode electrode and 40 × 535 mm as a cathode electrode, thereby producing an anode electrode and a cathode electrode, respectively.
次に、陽極電極ならびに陰極電極に陽極リード線と陰極リード線を夫々接続した。この各リード線の接続は、アルミニウム箔の表面に形成された分極性電極層の一部を取り除き、この取り除いた部分に各リード線を冷間圧接により接合した。 Next, an anode lead wire and a cathode lead wire were connected to the anode electrode and the cathode electrode, respectively. Each lead wire was connected by removing a part of the polarizable electrode layer formed on the surface of the aluminum foil and joining each lead wire to the removed portion by cold welding.
続いて、上記陽極電極と陰極電極の間に厚さ35μmのセパレータを介在させた状態でこれらを巻回する。このとき、陰極電極は陽極電極よりも60nm長く設定しているために、陽極電極の巻き終わり部分(56.52mm)から少なくとも1周分を陰極電極を巻回することによって陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を有したコンデンサ素子(巻き径:φ18mm)を得た。 Subsequently, these are wound in a state where a separator having a thickness of 35 μm is interposed between the anode electrode and the cathode electrode. At this time, since the cathode electrode was set to be 60 nm longer than the anode electrode, it was formed on the cathode electrode by winding the cathode electrode at least one turn from the winding end portion (56.52 mm) of the anode electrode. A capacitor element (winding diameter: φ18 mm) having a portion where the polarizable electrode layers face each other with a separator interposed therebetween was obtained.
次に、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させた。この駆動用電解液はプロピレンカーボネートに4エチルアンモニウム4フッ化ホウ素を溶解したものを用いた。 Next, this capacitor element was impregnated with a driving electrolyte. This driving electrolyte was prepared by dissolving 4 ethylammonium boron tetrafluoride in propylene carbonate.
続いて、このコンデンサ素子を有底円筒状のアルミニウム製の金属ケース内に挿入し、この金属ケースの開口部をゴム製の封口部材を用いて封止することにより、本実施の形態による巻回形電気二重層コンデンサを作製した(コンデンサ寸法:φ20×45mm)。 Subsequently, the capacitor element is inserted into a bottomed cylindrical aluminum metal case, and the opening of the metal case is sealed with a rubber sealing member, whereby the winding according to the present embodiment is performed. An electric double layer capacitor was produced (capacitor dimension: φ20 × 45 mm).
(実施例2)
上記実施例1において、陽極電極ならびに陰極電極を図3に示すように配置し、陽極電極の幅W1(40mm)に対して陰極電極の幅W2を44mmにした以外は実施例1と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。
(Example 2)
In Example 1 above, the anode electrode and the cathode electrode were arranged as shown in FIG. 3, and the cathode electrode width W2 was set to 44 mm with respect to the anode electrode width W1 (40 mm). A wound electric double layer capacitor was produced.
(実施例3)
上記実施例1において、陽極電極に接続された陽極リード線の表面に分極性電極層を形成し、陽極リード線が露出しないようにした以外は実施例1と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。
(Example 3)
In the above Example 1, a wound electric double layer was formed in the same manner as in Example 1 except that a polarizable electrode layer was formed on the surface of the anode lead wire connected to the anode electrode so that the anode lead wire was not exposed. A capacitor was produced.
(比較例1)
上記実施例1において、陰極電極の寸法を30×495mm(陽極電極よりも20mm長くなっているが、陽極電極と陰極電極の間にセパレータが介在するため、陽極電極と陰極電極の巻き終わりは略同じになる)にした以外は実施例1と同様にして巻回形電気二重層コンデンサを作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1 above, the dimensions of the cathode electrode are 30 × 495 mm (20 mm longer than the anode electrode, but since the separator is interposed between the anode electrode and the cathode electrode, the winding end of the anode electrode and the cathode electrode is substantially A wound electric double layer capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the same was applied.
このようにして得られた本発明の実施例1〜3及び比較例1の巻回形電気二重層コンデンサについて、初期特性(容量、直流コンデンサ抵抗(以下、DCRと略す))と、85℃で2.3V印加したときの特性劣化試験を行った結果を(表1)に示す。なお、試験数は20個で行い、その平均値を記載した。また、上記DCRは充電した後に放電させ、その開始の0.5〜2.0sec間の傾きを算出したものである。 For the wound electric double layer capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 thus obtained, the initial characteristics (capacitance, DC capacitor resistance (hereinafter abbreviated as DCR)), and 85 ° C. The results of the characteristic deterioration test when 2.3 V is applied are shown in (Table 1). In addition, the number of tests was 20 and the average value was described. Further, the DCR is obtained by discharging after charging and calculating the slope between 0.5 to 2.0 seconds at the start.
(表1)から明らかなように、本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、比較例1に比べて容量変化が少なく、特性劣化試験によるΔC、ΔDCR、製品ふくれを大幅に改
善することができることが分かるものである。
As is clear from Table 1, the wound electric double layer capacitor according to the present invention has less capacitance change than Comparative Example 1, and can greatly improve ΔC, ΔDCR, and product blistering in the characteristic deterioration test. It is understood that it can be done.
このように本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、コンデンサ素子の陽極電極に形成された分極性電極層の巻き終わり部分から少なくとも1周分を陰極電極に形成された分極性電極層を巻回することにより、コンデンサ素子の最外周面に、陰極電極に形成された分極性電極層どうしがセパレータを介して対向する部分を設けた構成により、駆動用電解液や各電極を構成する集電体等の部材が電気化学反応を起こさない電気化学的に安定な領域に分極性電極層の電位を設定することが可能になり、また、陽極電極の表面に電解質アニオンであるBF4 -、PF6 -等が集中して酸性になることが無いためにセパレータの劣化が無く、これにより、電気化学反応によって生じるガス発生、抵抗増加や容量減少も無くなり、特性劣化の少ない高信頼性の巻回形電気二重層コンデンサを実現することができるという効果が得られるものである。 As described above, the wound electric double layer capacitor according to the present invention winds the polarizable electrode layer formed on the cathode electrode at least one turn from the end of winding of the polarizable electrode layer formed on the anode electrode of the capacitor element. By rotating the outermost peripheral surface of the capacitor element, a portion where the polarizable electrode layers formed on the cathode electrode face each other with a separator interposed therebetween is used, so that the driving electrolyte and each current collector constituting each electrode are configured. It is possible to set the potential of the polarizable electrode layer in an electrochemically stable region where a member such as a body does not cause an electrochemical reaction, and BF 4 − , which are electrolyte anions on the surface of the anode electrode, PF 6 - like without deterioration of the separator in order to be free to become acidic concentrated, Thus, the gas generation caused by the electrochemical reaction, eliminating the resistance increases and the capacitance decreases, less high characteristics deteriorate In which there is an advantage that it is possible to realize a winding type electric double layer capacitor of dependability.
本発明による巻回形電気二重層コンデンサは、分極性電極層の特性劣化が少なく信頼性に優れるという効果を有し、特に車載用の電子機器回路用等として有用である。 The wound electric double layer capacitor according to the present invention has an effect that the polarizable electrode layer is less deteriorated in characteristics and excellent in reliability, and is particularly useful for an in-vehicle electronic device circuit.
1 コンデンサ素子
2 陽極電極
3 陰極電極
4 セパレータ
5 集電体
6,7 分極性電極層
8 陽極リード線
9 陰極リード線
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