JP2007173865A - 電荷蓄積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
印加し得る電圧の範囲を大きくし、かつ、内部抵抗を適切に維持する電荷蓄積装置を提供する。
【解決手段】
第１の電極と、この第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、第１および第２の電極間に配置された多孔質セパレータと、電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージ５５と、第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、封止パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、応答時間（Ｔ₀）は約０．０９秒未満である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電荷蓄積装置に関するものである。

本発明は、主にスーパーキャパシタなどの電気化学電荷蓄積装置に用いるために開発されており、これ以降その適用例に関して述べる。スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタ、電気二層キャパシタおよび電気化学キャパシタその他などの用語で示され、これらすべてがこの明細書で用いられているような「スーパーキャパシタ」という用語の範囲内に含まれることになる。

明確な範囲内にある特殊な動作特徴を有するスーパーキャパシタの大量生産は公知である。大量生産は費用の点から言えば有利であるが、これは本来柔軟性の欠如を伴う。すなわち、特定の適用例に対するスーパーキャパシタの所望の特徴が一般に適用可能な範囲に収まらない場合は、妥協解決策が必要となる。１つの選択肢は、所望のスーパーキャパシタを一品生産または少数生産として製造することである。この後者の選択肢は費用が非常に嵩むことが多いので、ほとんど実行できない。

公知のスーパーキャパシタは、通常、コンピュータの無停電電源または揮発性メモリのバックアップ電源などの電源に適用される。これに応じて、これらのスーパーキャパシタを高エネルギ密度、低自己放電率および低価格に最適化することが一般的となっている。

より最近では、スーパーキャパシタは高電力パルスの適用例に理論的に適用可能であると考えられている。実際、このようなスーパーキャパシタを短期間の電流源またはシンクとして適合するよう作製した試みもある。そのような適用例には、内燃機関の始動、ハイブリッド車の負荷電力平準化および種々のパルス通信システムなどがある。しかしながら、これらのスーパーキャパシタの成功は、高等価直列抵抗その他の要因によってこれまで制限されてきた。たとえば、従来技術の二層キャパシタには、ボタンセルまたは螺旋巻き技術を用いるものがある。これらは、通常２つのグループのうちのいずれかに属し、第１のグループは高電力の適用例に関し、第２のグループは低電力の適用例に関する。第１のグループでなく第２のグループでは、高エネルギ密度を得ることが可能であった。

この第１および第２のグループは、概して、使用される電解質のタイプ、すなわちそれぞれ水溶性および非水溶性によって規定される。これは主に、高電力、したがって高電流の適用例により適した水溶性電解質によって本来もたらされる、より低い抵抗によるものである。つまり、抵抗が低いと、結果として水溶性電解質のＩ²Ｒ損失がより低くなる。しかしながら、このトレードオフは、これらの水溶性電解質に関して、容量セルにわたって印加され得る電圧が極めて限られているということである。

従来技術の二層キャパシタの第２のグループは、これとは逆の欠点を有する。すなわち、これらは利用可能なエネルギ密度を向上させるより大きな電圧窓をもたらす一方、高電力の適用例には不適切となる高い内部抵抗を有することである。

本発明の目的は、少なくとも好ましい実施例においては、従来技術の１つもしくはそれ以上の欠点を克服するかまたは実質的に改善すること、または少なくとも有用な代替策を提供することである。

本発明の第１の局面によれば、電荷蓄積装置であって、この電荷蓄積装置は、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の応答時間（Ｔ₀）は約０．０９秒未満である。

好ましくは、Ｔ₀が、約０．０９秒から１０^-2秒、または約１０^-2秒から１０^-3秒、または 約１０^-3秒から約１０^-4秒、または約５×１０^-5秒未満、の範囲内にある。

本発明の第２の局面によれば、電荷蓄積装置であって、この電荷蓄積装置は、
発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、
発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、この装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ²／グラムより大きい。

本発明の第３の局面によれば、電荷蓄積装置であって、この電荷蓄積装置は、
第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電極を含み、第1の炭素層は少なくとも約４００ｍ²／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、この装置はさらに、
第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ²／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけられ、前記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい。

好ましくは、炭素の表面積が少なくとも１２００ｍ²／グラムである。また、好ましくは、少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む。

この文章中に特に明記しない限り、明細書および請求の範囲全体にわたって、「含む（comprise）」「含んでいる（comprising）」という語は排他的または網羅的な意味ではなく包括的な意味として、すなわち「含んでいるが限定はされない」という意味として解釈されるべきである。さらに、「含む（includes）」「含んでいる（including）」などの語は、「含む（comprise）」「含んでいる（comprising）」などの語と互換可能に用いられる。

この発明の第１の局面に従うと、電荷蓄積装置であって、
第１の電極と、
第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、この装置の応答時間（Ｔ₀）は約０．０９秒未満である電荷蓄積装置が提供される。

重量ＦＯＭは、パルス電力の適用を意図されたエネルギ蓄積装置とともに用いるのにより適切な効果尺度であることが認められる。すなわち、そのような適用は必然的に周波数依存であり、したがって、効果尺度の計算は、蓄積装置のインピーダンスが−４５°の位相角に達する周波数ｆ₀をまず識別するステップを含む。次にｆ₀の逆数は蓄積装置に特有の応答時間Ｔ₀を与える。ｆ₀でのインピーダンスＺ″の虚数部の値は、装置がその周波数で供給することができるエネルギＥ₀を計算するのに用いられる。より特定的には、以下の式のとおりであり、
Ｅ₀＝１／２ＣＶ²
式中、Ｃ＝−１／（２πｆ₀Ｚ″）であり、Ｖは装置の定格電圧である。次にＥ₀を装置の質量およびＴ₀で除することにより、重量効果尺度が計算される。すなわち、以下の式のとおりとなる。
重量ＦＯＭ＝Ｅ₀／（ｍ．Ｔ₀）
重量効果尺度は、１９９８年１２月７−９日、フロリダ、ディアフィールドビーチで開催された「２層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第８回国際セミナー」（"8th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices"）のための「電気化学キャパシタのパルス電力パフォーマンス：現在市販の装置の技術的実情」（"Pulse Power Performance of Electrochemical Capacitors: Technical Status of Present Commercial Devices"）と題される論文でジョン・Ｒ・ミラー（John R. Miller）により提案された。この論文の中の教示および開示は相互参照により本明細書中に援用される。

ミラーの論文には、Ｔ₀と装置の容積の両者によって除算されたＥ₀に基づく容積効果尺度（容積ＦＯＭ）の計算も詳細に説明されている。容積ＦＯＭはワット／ｃｍ³という形で表記される。

これらの効果尺度は、パルス電力の周波数依存の性質および装置に適用されている他のそのような適用例とさらに一致する、蓄積装置の異なる特徴をもたらす。装置の性能はこれまで用いられてきた単純なＲＣモデルで十分に説明できないことにも留意しなければならない。このような単純なモデルは、パルス化された適用例または高電力の適用例のいずれの周波数依存の性質も説明できないが、この発明を特徴づけるのに用いられるＦＯＭはそのような適用例に直接的に関係するパラメータである。

好ましくは、第１の電極は第１の基板および基板によって支持される第１の炭素層を含み、第２の電極は第２の基板および第２の基板によって支持される第２の炭素層を含み、第１および第２の炭素層は対向しかつ少なくとも４００ｍ²／グラムの表面積を含み、装置の重量ＦＯＭは約１ワット／グラムよりも大きい。

ｍ²／Ｇと表記される表面積の本明細書中の測定値は窒素ＢＥＴ技術によって得られることが認められる。

より好ましくは、炭素層の表面積は少なくとも１２００ｍ²／グラムである。さらに好ましくは、炭素層の少なくとも１つは２つ以上のタイプの炭素を含む。

さらに好ましくは、炭素層は、プロトン化されたカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の懸濁液と組合された、高表面積炭素および高導電性炭素の約２．５：１の比率の混合である。しかしながら、他の実施例では他の結合剤を用いることが認められるであろう。たとえば、そのような別の結合剤はＣＭＣナトリウムである。

図１を参照すると、この発明に従う、スーパーキャパシタ１の形のエネルギ蓄積装置の１つの実施例が示される。スーパーキャパシタ１は、第１の端３と間隔を空けられた第２の端４との間に軸方向に延在する円柱形のハウジング２の中に収められる。他の実施例では異なって形づくられたハウジングが用いられる。

ハウジングは円柱形の側壁６を有し、それぞれの端３および４に隣接して配置された円形の上面７および底面８を有する。底面、側壁および上面のすべての隣接する端縁は封止するように係合される。この実施例では、ハウジング２は金属から形成され、上面７および底面８は封止するように側壁６に接着される。

上面７は、それぞれの端子１１および１２を封止するように受けるための径方向に間隔を空けられた２つのポート９および１０を含む。端子は、それらがスーパーキャパシタ１の電極のそれぞれのものまたは組に電気的に接続されるハウジング２の中から延在する。多数の可能な電極がこの発明のさまざまな実施例に用いられるが、最も好ましいものが以下に詳細に論じられる。

端子１１および１２はゴムの封止材１３および１４によりそれぞれのポートの中に封止するように保持される。

第１の好ましい電極の構成が図２に示される。より特定的には、この実施例では、スーパーキャパシタ１は複数の第１のシート電極２１を含み、シート電極はそれから延在するそれぞれの第１のタブ２２を有する。複数の同様の第２のシート電極２３が電極２１と交互に配され、そこから延在するそれぞれの第２のタブ２４を有する。複数の多孔質シートセパレータ２５は隣接する電極間に配置される。図１を参照して説明されたように、ハウジング２は、電極２１および２３、セパレータ２５ならびに電解質（図示せず）を収容する。タブ２２は端子１１に電気的に接続され、タブ２４は端子１２に電気的に接続されてそれぞれの電極へ外部からの電気的接続をもたらす。

図２には、２つの電極２１および２つの電極２３が示されるが、実際の実施例は、すべて相互接続されて予め定められた容量をもたらすはるかに多くの数のこのようなシート電極を含むことが認められるであろう。この形でのこの発明は、容量のモジュラーユニットすなわち１つの電極２１、１つの電極２３および中間セパレータ２５が容易に大量生産されかつ複数の同様のユニットと組合されて特定の用途に必要な容量を与えるという点で特に有利である。したがって、特定の性能特性を有するスーパーキャパシタは、大きな需要があるときと同じ単位原価で容易にかつ少数だけ生産され得る。いくつかの実施例では、異なるサイズのハウジングが求められる。しかし、ハウジングの相対的なコストは大きくない。

タブ２２および２４はそれぞれ中央に配置された開口２７および２８を含む。これらの開口は同様のタブを電気的に相互接続するためのそれぞれの導電ロッド２９および３０を受ける。次にロッドはハウジング２内でそれぞれの電極１１および１２に電気的に接続される。

いくつかの実施例では、２つの隣接する電極２１および２３はともに折り曲げられて電極の一方の寸法を減じる。公知の容量が求められるが、パッケージングの要件が非常に限られる状況ではこれは特に有利である。

別の実施例では、２つまたはそれ以上のシート電極およびともに螺旋に巻かれた１つまたはそれ以上の中間セパレータを用いることにより、同様の効果が達成される。２つのシート電極は縦方向に細長くかつ横方向にオフセットされるため、それらの対向する端縁がそれぞれのタブを規定する。この実施例では、シート電極の長さは特定の容量の要件に合せられる。この種のスーパーキャパシタの製造がこれから詳細に説明される。他の実施例では、図１を参照して説明されたもののように、同様の準備およびコーティング技術が用いられる。しかしながら、当業者には明らかなように、図１のシート電極は巻かれるよりはむしろ積重ねられる。

スーパーキャパシタは２層タイプのものであり、螺旋に巻かれた構成向けには、１つの好ましい実施例では、長さが２５００ｍｍ、幅が８５ｍｍであるアルミニウムのシート電極を用いる。第１のステップは以下のものを含むコーティング混合物の準備である。それらはすなわち、
高表面積炭素
導電性炭素
結合剤
界面活性剤および
水である。

コーティングのプロセスではワイヤバー（wire-bar）技術を用いるが、リバースロール、ドクターブレードなどの他の好適な技術も利用可能であることが当業者には認められるであろう。

コーティング手順が完了したすぐ後、一切の残余の水分を取除き結合剤を硬化させるため、電極スプールはオーブンに入れられる。これによりアルミニウムの腐蝕も防ぐ。オーブンの温度は１１０℃から１４０℃の範囲に維持され、好ましくは窒素気体を送風される。後者は酸化を最小化するためである。硬化の時間は少なくとも５時間であり、ある状況下では一切の損傷がなければより長くたとえば１２時間放置される。電極を取除くのに先だって、酸化を最小限にするため、オーブンは室温に冷まされなければならない。

ホイルの狭い幅をコーティングするよりも、アルミニウムホイル電極の全幅をコーティングしてその後所望の幅に細く切ることがより好都合である。いくつかの実施例では、コーティングされていない端縁が用いられ、それに従って炭素層が設けられる。

シート電極は片側をコーティングされたのみであるが、他の実施例では、それは両側のコーティングを含む。しかしながら他の実施例では、両側をコーティングするよりもむしろ、片側をコーティングされた２枚のシートが背中合せの構成に設けられて両面電極を規定する。すなわち、ホイル電極は接着されるかまたはさもなければそれぞれの炭素層が外向きになりかつ隣接する電極上の炭素層と対向するようにともにしっかりと固定される。

各々の端の接続がただ１つの電極としかもたらされないように、２つの電極間にオフセットが必要である。

アルミニウムの噴霧によって端子が形成される実施例では、平坦な端縁を用いて各々の電極の対向する自由端縁を９０°曲げる。これにより端子の形成に用いられるアルミニウ
ムの噴霧の浸透を止める。この曲げは、素子が回転している間に２０ｃｍのへらの平坦な端を用いて行なわれるのが好都合である。好ましい実施例では、電極の端縁の約１ｍｍから２ｍｍが曲げられる。長い方の軸に沿って素子を見たとき、電極間のギャップが見えてはならない。

アルミニウム噴霧のプロセスのより詳細な説明は同時継続中のＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９８／００４０６に見られ、その詳細は相互参照により本明細書中に援用されている。

しかしながら簡単に言えば、注記されるのは、巻き線との電気的な接続をもたらすのにアルミニウム金属噴霧が用いられることである。炎の非常に高い温度のために、素子にわたる噴霧器の安定した動きは、噴霧器の先端から約２０ｃｍの距離をおいて各々の素子にわずか約１秒から２秒のみしか用いられない。この動きが３度繰返されてから、素子が回転されて残りの側面が噴霧される。このプロセスは、連続したアルミニウム面ができるまで、熱すぎて素子に触れられなければ冷却期間を間に挟んで、必要なだけ繰返される。あるセパレータは低い軟化温度を有し、その温度よりも上では横方向に縮むことが認められる。

十分なアルミニウムが一旦付着すると、端子を取付けるのに十分な平滑な平坦域が得られるまで、端が研削される。研削の間に大量の熱が発生するため、キャパシタを過熱させないように注意が払われる。この平坦域は、各々の端ごとに異なるが、端全体ほど大きくなくてもよい。下方端すなわち上面７から最も遠くに配置されることが意図される端に、コアから径方向に延在する平坦なタブを溶接される電極が設けられる。したがって、少なくとも１０ｍｍの幅のかつ平滑な表面を有する平坦域がコアから端縁まで必要である。上端の端子はコアと端縁の中間に接線方向に溶接され、したがって平滑であるためには端の約１／３または１／２を必要とする。

次に端子タブのレーザ溶接が行われる。この装置は５００Ｗ連続定格のLasag社のNd：YAGレーザであった。３ｍｍまでの間隔を空けた少なくとも２つの８ｍｍの溶接の列が各々のタブ上に作られた。ビームは約１４０ｍｍ／分で動かされ、２９．５ジュール／パルスのエネルギで１０Ｈｚでパルスされる。

金属缶の形であるパッケージに現在形成されたキャパシタ素子の最終的な設置に先立って、端子とアルミニウムを噴霧された上面との間にテフロン（登録商標）の絶縁体が設けられて、底面からの端子が上面に触れて短絡を起こすのを防ぐ。この絶縁体は１ｍｍの厚みのテフロン（登録商標）の円板であり、真中に３ｍｍの穴を開けられ、この穴から端縁まで径方向のスリットを有する。この穴は中央の端子上の絶縁体の位置決めをし、この端子がアルミニウムの端の接続に触れるのを防ぐ。テフロン（登録商標）の円板もパッケージの中に設けられて缶から素子の底面を絶縁する。ほとんどの場合、発泡ポリプロピレンが缶の底面に配置されて素子をしかるべき場所に保持する。しかしながら他の実施例では、成形プラスチックロケーターが用いられる。

容量素子が一旦缶の中に設けられると、一切の水分を取除くため最終の乾燥のステップが実行される。これは最大温度８０℃で真空オーブン中で実行される。この低温乾燥はセパレータの軟化を回避する。低温乾燥は、１５０Ｐａよりもよい真空をもたらすことができる回転真空ポンプを用いて約１２時間実行される。

次に、上方向に延在する端子を除いて容量素子が完全に覆われるように、電解質が缶に加えられる。オーブンの中の圧力は、炭素の穴に閉じ込められた気体が取除かれるように約５３Ｐａに徐々に減じられる。最初のガス抜きが落ち着くと、真空は８Ｐａに増加され
る。この過程はオーブンを６０℃に暖めることによって促進される。約３０分後、ガス抜きは実質的に止まったはずであり、オーブンは窒素により大気圧にもたらされる。その後キャパシタがオーブンから取出される。さらなる電解質が加えられ、電解質が入らなくなるまでこの過程が繰返される。２サイクルまたは３サイクルが行なわれるのが通常である。最後に、一切の余分の電解質が取除かれる。

次にキャパシタは端子上に上面を取付けることによって完成される。この実施例では上面はベークライトからなるが、他の実施例では他の材料が用いられる。缶の最上端縁は１００ｒｐｍまでで小型のボール盤の封止工具を用いて上面の周を丸く形作られる。

好ましくは、２つのタイプの炭素がキャパシタで用いられる。第１に高表面積炭素または活性炭、第２に導電性カーボンブラックなどの炭素である。

電極は好ましくはアルミニウムホイルである。
この実施例では、電解質は炭酸プロピレン（ＰＣ）に溶解されたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩（ＴＥＡＴＦＢ）の１．０Ｍの溶液からなる。すなわち、１リットルの溶液中２１７グラムのＴＥＡＴＦＢである。電解質中の水の量は絶対最小値に保たれ、好ましくは５０ｐｐｍよりも少ない。したがって、シグマアルドリッチ社が生産するような無水物ＰＣが用いられる。さらに、ＴＥＡＴＦＢは使用に先立って徹底的に乾燥される。約６時間または水分含有量を十分に減じるのに足る時間の間、１６０℃の真空オーブン乾燥によってこの乾燥が達成される。

ＴＥＡＴＦＢは溶解が遅く、室温でそれが完全に溶解するのに２４時間かかるのは珍しいことではない。しかしながらこの好ましい方法は、溶液を５０℃に加熱することによりこの時間を減じる。水分含有量を低く保つため、電解質の準備は乾燥した窒素グローブボックス中で行なわれる。

この発明での使用のために、セパレータは望ましい多孔性、強さおよび薄さを有する。
この発明の代替的な実施例が図３および図４に示される。この実施例では、基本的な容量ユニットは、図４に最もよく示されるように、ともに折り曲げられた２つの同様のシート電極３５および３６を含む。各々のシート電極は矩形であり、４つの隣接する端縁３７、３８、３９および４０を含む。それぞれ開口４３および４４を有する対称に間隔を空けられた２つのタブ４１および４２は、端縁４０から外向きに延在する。これらのタブは、複数の同様のタブとともにそれらが接続されかつキャパシタ１の端子１１または１２にまとめて電気的に結合されるという点において、図２のタブ２２および２４と同様に機能する。

使用の際、各々の電極３５および３６は、端縁３７および３９と平行な軸４５の付近で中央で折り曲げられる。図４に示されるように、各々の電極は、各電極の端縁３９が他の電極の軸４５と隣接して存在するように、他の電極と交互に配される。多孔質セパレータ４６も電極の各々の隣接する部分の間に含まれる。図４の例示はこの発明の構成の理解を助けるように概略的に示されたものであることがわかる。実際には、隣接する電極およびセパレータは、図４に示された間隔を空けられた構成というよりはむしろ互いにすぐ近くに隣接している。

電極３５および３６は、上述のように与えられる１層の活性炭を各々の側に含む。しかしながら、当業者には認められるように、上述の方法の巻くステップは、予め定められた複数の容量素子を折り曲げて次に積重ねてスーパーキャパシタ１に所望の電気的特徴をもたらすステップと置換えられる。

複数の容量素子が用いられるところでは、隣接する素子間に多孔質セパレータが配置されて電気的短絡を防ぐ。

いくつかの実施例では、電極３５および３６はまずともに広範囲にセパレータと当接し次に一緒に折り曲げられる。

他の実施例では、一方の電極の端縁４０は、タブ４１および４２が互いから離れて延在するように、他方の電極の端縁３８と隣接して存在する。いくつかのこのような実施例では、各々が軸４５と平行でかつそれからの間隔を空けられた複数の軸に沿って、各々の電極が他の電極および中間セパレータとともに折り曲げられる。さらなる実施例では、電極は、軸４５と垂直である１つまたはそれ以上の軸に沿って折り曲げられる。代替的な実施例では、電極３５および３６は、軸４５と平行な少なくとも１つの軸および軸４５に垂直な少なくとも１つの軸に沿って折り曲げられる。

この発明およびその適用例をさらに示すため、スーパーキャパシタの開発の理論的かつ実践的基礎を見ることが有用である。より特定的には、この発明のスーパーキャパシタは高電力の適用例に用い得ることが認められる。このようなスーパーキャパシタの特徴により、適用例に求められる効率、サイズおよび質量が規定される。所与の質量または容積および容量については、高効率のスーパーキャパシタを低効率のスーパーキャパシタと区別する（等価直列抵抗またはｅｓｒとして公知の）のは、電気抵抗の特徴である。すなわち、損失を最小化するため、高電力の適用には低いｅｓｒが望ましい。

いずれのキャパシタに対しても、質量および容積を増すことによって電気抵抗を減じることができる。しかしながら、結果として望まれるのは、容量を維持しながら、抵抗、質量および容積を同時に減少させることである。

電気抵抗に寄与するファクタには以下のものが含まれる。すなわち、炭素ベースのスーパーキャパシタとしての、炭素の固有の導電性、両面抵抗、金属電極および接続抵抗ならびに電解質およびセパレータの抵抗である。高効率の動作を達成するため、これらの要因を最小化するよう試みられてきた。

従来のキャパシタでは、誘電体によって分離された２つの平坦な電極間に電流の流れが存在する。炭素ベースのキャパシタは同様の態様で作られるように見えるが、金属電極間の材料は誘電体ではなく、高表面積炭素、電解質およびセパレータ（活性材料）である。誘電体は炭素表面にあるナノメータ薄の溶媒の層である。電流は金属電極からこれらの材料を通って流れるため、それらの抵抗はキャパシタのｅｓｒを減じるよう最小化されなければならない。これは、たとえば炭素コーティングの密度を増すことまたはより薄いコーティングを用いることにより、活性材料の厚みを減じることで達成される。このような線に沿った別の試みは、より薄いセパレータを用いることである。電流が流れなければならない経路を最小化することにより、厚みの減少が電解質の抵抗成分も減じる。

活性材料の抵抗を減じる別の手段は、より導電性の高い炭素および電解質を用いることである。より導電性の高い活性材料をより薄い設計と組合せることで、質量および／または容積を維持または減少させながら、高電力が達成できる。

一般的に時定数と称される、抵抗と容量（ＲＣ）の積がキャパシタを特徴づけるのにしばしば用いられる。理想的なキャパシタでは、時定数は周波数独立である。しかしながら、炭素ベースのスーパーキャパシタでは、ＲとＣの両者とも周波数依存である。これは、高表面積炭素の微孔質の特徴および炭素表面上の電気二重層の電荷蓄積の性質から発生する。スーパーキャパシタのＲとＣを測定する従来の方法は、定電流充電または放電を用い
ることならびにサイクルの開始または終了の際の電圧ジャンプおよびそれぞれサイクルの間の電圧の変化率を測定することである。しかしながらこれは、高周波数のＲおよび低周波数のＣをもたらす効果がある。別のより好適な方法は、複素インピーダンスの周波数応答を測定することおよび単純なＲＣ素子をデータにモデル化することである。これは、定電流技術を用いて測定されたものと相関し得るまたは相関し得ない周波数範囲にわたってＲおよびＣの推定値を与える。キャパシタの好適性の尺度としてＲＣ時定数を用いることにより大きな不確実さを被ることは明らかである。電流および電圧の位相角が−４５°である周波数でＲとＣが測定されるよりも有用な技術が最近提案された。この周波数の逆数は「応答時間」であり、他の方法よりもより明確に規定される。さらに、次にこの周波数での容量がエネルギを計算するのに用いられて、質量または容積で正規化されると効果尺度（ＦＯＭ）をもたらし得る。

いずれのキャパシタからも利用可能な理論上の最大電力は、電圧の二乗をｅｓｒの４倍で除した商である。質量または容積に正規化されると、これは理論上の最大出力密度をＷ／ｋｇでもたらす。最大電力は、（上記に示されたように）抵抗を減じること、動作電圧を増すことまたはその両者のいずれかによって増加され得るのは明らかである。動作電圧の増加は、スーパーキャパシタの材料の構成の一切の変化なしに、キャパシタが動作する電圧窓を最大化することによって達成できる。対称な炭素ベースの電極を備えるスーパーキャパシタでは、電圧は両電極に等しく分配される。動作の間、最大キャパシタ電圧は最も弱い電極の降伏電圧によって限定される。より高い動作電圧は、各電極の容量を調整して利用可能な電圧窓を十分に活用することにより達成できる。各々の電極で異なる炭素ローディングを用いることにより、これは好都合に達成される。

この明細書中に説明される発明の局面は、目標とされたエネルギおよび出力密度が新しいスーパーキャパシタの設計および関連する製造プロセスによって達成されるのを可能にする。移動体通信での適用に好適な、非常に薄い、高電力のキャパシタが１つの結果である。別のものはハイブリッド電気自動車の負荷の平準化に好適である。これらの具体例が以下の説明にさらに示される。

［例］
例１
図５から図７に概略的に示されるように、スーパーキャパシタ５１は第１の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５２の形の第１の電極を含む。第２の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート５３の形の第２の電極は、シート５２と交互に配されかつそれらと対向する。複数の多孔質セパレータ５４は隣接するシート５２と５３の間に介在される。矩形の封止されたプラスチックパッケージ５５は、電極５２および５３、セパレータ５４ならびに電極が浸漬される電解質５６を収容する。この実施例では、電解質はＴＥＡＴＦＢを用いたアセトニトリルである。矩形のタブ５７および矩形のタブ５８は一体となるように形成され、シート５２および５３のそれぞれから上方向に延在する。タブ５７は端子５９に当接しかつ電気的に接続され、タブ５８は端子６０に当接しかつ電気的に接続される。この電気的接続はこの実施例では超音波溶接によってもたらされる。端子５９と６０の両者は、パッケージ５５から延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらす。

シート５２および５３の各々は、約７０ｍｍの幅、約１７０ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々５０枚のシート５２および５３、すなわち合計で１００枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積５９５０ｃｍ²が与えられる。

図面に示されるように、シート５２および５３は、前述の実施例を参照して説明された
ように、片側のみを活性炭層６２で各々がコーティングされる。適切なところでは、２枚の同様のシートが背中合せで当接して、シートの他方上の同様の炭素層と対向する外向きの活性炭層を設ける。この実施例では、層６２はシートにわたって実質的に均一であり、約３６ミクロンの厚みを有する。

パッケージ５５は、外部寸法が約１７ｍｍ×１１０ｍｍ×１９０ｍｍを有する、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。端子５９および６０がパッケージを通って延在するところでは、適切な封止材を用いてパッケージ５５から電解質５６が出るのを防いだり、また重要なことには、パッケージ５５への空気、水分または他の汚染物質の浸入を防いだりする。

当業者には認められるように、セパレータ５４は間隔を空けられた構成にある対向する層６２を維持してその間の電気的導通を防ぐ。しかしながら、セパレータ５２は層６２間の電解質内のイオンの動きを許す。この特定の実施例では、セパレータ５４はシート５３の背中合せの対の付近で折り曲げられる。

スーパーキャパシタ５１は定格を２．５ボルトとし、２７０ファラッドの公称容量を与える。しかしながら、電解質およびパッケージを含む全体の重量は２９５グラムであることが重要である。測定された１秒のＴ₀と組合せてこれらの数字を用いることにより、２．２ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６ワット／ｃｍ³が与えられる。

単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約１ｍΩであり、ＲＣ時定数は約２８０ｍｓである。

例２
この発明に従って作られたスーパーキャパシタ７１の別の具体例が図８および図９に概略的に示される。これらの図面では、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。

シート５２および５３の各々は、約４０ｍｍの幅、約４０ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々４０枚のシート５２および５３、すなわち合計で８０枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積６４０ｃｍ²が与えられる。

この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約３６ミクロンの厚みを有する。

パッケージ５５は、外部寸法約１０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有し、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。

スーパーキャパシタ７１は定格を２．５ボルトとし、３０ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は２５グラムである。測定された０．４８秒のＴ₀と組合わせてこれらの数字を用いることにより、２．７１ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび２．７１ワット／ｃｍ³の容積ＦＯＭが与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約４ｍΩであり、ＲＣ時定数は約１２０ｍｓである。

例３
この発明に従って作られたスーパーキャパシタの別の具体例は、図８および図９に示されたのと同じ構造のものである。しかしながら、この実施例では、各々２０枚のシート５２および５３、すなわち合計で４０枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積３
２０ｃｍ²が与えられる。

この実施例では、層６２はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約１２ミクロンの厚みを有する。

パッケージ５５は、外部寸法約５ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍを有する、ＡＢＳからなる矩形の柱状の形を有する。

この例のスーパーキャパシタは定格を２．５ボルトとし、１０ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１７グラムである。測定された０．１１秒のＴ₀と組合わせてこれらの数字を用いることにより、２．６４ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび３．００ワット／ｃｍ³の容積ＦＯＭが与えられる。

単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約５ｍΩであり、ＲＣ時定数は約５０ｍｓである。

例４
図１０、図１１および図１１Ａにはスーパーキャパシタ８１が示され、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。上述の他の例と同様に、シート電極が用いられる。しかしながら、これらのシートはクレジットカードまたはスマートカードのサイズのパッケージ８２内に収容される。

各々のシート５２および５３は、約４０ｍｍの幅、約６５ｍｍの高さおよび約２０ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々３枚のシート５２および５３、すなわち合計６枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積７８ｃｍ²が与えられる。

ここでも層６２はシートにわたって実質的に均一であり、約１２ミクロンの厚みを有する。

パッケージ５５はＰＶＣシートからなる矩形の柱状の形を有し、外部寸法約２ｍｍ×５４ｍｍ×８６ｍｍを有する。

スーパーキャパシタ８１は定格を２．５ボルトとし、０．３ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は１２グラムである。測定された０．０３７秒のＴ₀と組合わせてこれらの数字を用いることにより、１．２７ワット／グラムの重量ＦＯＭおよび１．６８ワット／ｃｍ³の容積ＦＯＭが与えられる。単純なＲＣモデルを用いると、等価直列抵抗は約２２．５ｍΩであり、ＲＣ時定数は約６．３ｍｓである。

例５
スーパーキャパシタ９０の形の多重または複合電荷蓄積装置が図１８に概略的に示される。スーパーキャパシタ９０は、アルミニウムシート９４および９６によってまとめて規定される第１のシート電極を含む。他の実施例では、単一の折り曲げられたシートが用いられる。当業者には単一のシートを用い得ることも認められるであろう。

シート９４と９６の両者は第１の端子（図示せず）に電気的に接続される。シート９４はその片側上に第１のコーティング９５を含み、シート９６の反対側には第２のコーティング９７を含む。第１のコーティングは第１の予め定められた厚みのものであり、第２のコーティングは第１の厚みとは異なる第２の予め定められた厚みのものである。第２のシート電極９８は第２の端子９２に電気的に接続され、電極９４の片側に隣接して配置される。また、電極９８はその片側上に、第１の予め定められた厚みと等しい第３の予め定め
られた厚みの第３のコーティング１９９を含む。コーティング１９９はコーティング９５と対向する。第３の電極２００は端子９２と電気的に接続され、シート９６に隣接して配置される。電極２００はその片側上に、第４の予め定められた厚みの第４のコーティング２０１を含む。さらに、コーティング２０１はコーティング９７と対向する。他の実施例と同様に、それぞれの隣接する電極間に複数の多孔質セパレータが配置される。さらに、スーパーキャパシタ９０は、電極、１つまたはそれ以上のセパレータおよび電解質を収容するためのパッケージ９１を含み、それを通して端子が延在して、それぞれの電極に外部から電気的な接続がもたらされる。

この実施例のすべてのコーティングは同じ調製を用いる。しかしながら、スーパーキャパシタを構成する２つの容量セルが互いに平行であることを考慮すれば、異なる厚みはスーパーキャパシタ９０に多重または複合時定数を与える。この場合、セルはそれぞれ対向しかつ隣接する炭素コーティングによって規定される。

他の実施例では、コーティングの厚みは同じであり、コーティングの調製はセル間で変化して、容量の差をもたらす。これは次に、多重または複合時定数スーパーキャパシタを与える。

例６
スーパーキャパシタ９９の形の代替的な多重または電荷蓄積装置が図１９に概略的に示される。このスーパーキャパシタは、第１の端子（図示せず）に電気的に接続されかつ第１の予め定められた厚みを有する第１のコーティング１０２をその片側に含む、第１のシート電極１００を含む。第２のシート電極１０３は、第２の端子（図示せず）に電気的に接続され、電極１００に隣接して配置される。第２の電極はその片側に、第２の予め定められた厚みを有する第２のコーティング１０６を含む。示されたように、コーティング１０６はコーティング１０２と対向する。

多孔質セパレータ５４は隣接した電極間に配置されて、固定された間隔をあけられた構成にこれらの電極を維持する。さらに、パッケージ１０５は、電極、セパレータおよび電解質を収容し、それにより端子（図示せず）がパッケージから延在して、それぞれの電極への外部からの電気的接続を可能にする。

別個の電極にわたり炭素の厚みが異なるこの配置により、多重または複合時定数スーパーキャパシタも提供される。

便宜上、図１９に示された電極の対はセルとして規定される。他の実施例では、ともに積み重ねられかつ平行に接続されて所望の容量を与える複数の同様のセルが用いられる。好ましくはまた、１つのセルのより薄い端およびより厚い端が少なくとも１つの隣接するセルのそれぞれより厚い端およびより薄い端と並列されるように、セルが積み重ねられる。

他の実施例では、上述の例と同様の構造であるが異なる物理的パラメータを備えるものが用いられて異なる特徴をもたらす。そのような代替的な物理的パラメータおよび結果として生じる特徴のいくつかの例が図１７および図２０の表に示される。参照を容易にするため、図１２は、図１７に示されたこの発明の例のための重量ＦＯＭ対Ｔ₀のグラフでの表示を示し、図中、基準平面上のスーパーキャパシタのそれぞれの場所が図１７の表中の項目番号に対応する数字によって表わされる。図１３は、容積ＦＯＭ対Ｔ₀を示すスーパーキャパシタの例のための対応する表示を示す。

図１７に項目１２として示されるスーパーキャパシタは、直列に接続される容量セルの
対の平行な組合せを含む。したがって、公称動作電圧は５ボルトである。他の実施例では、３つ以上の容量セルが直列に接続されて、より高い動作電圧をもたらす。

この発明のキャパシタを技術分野でより一般的に用いられる基準で特徴づけることも有用である。より特定的には、スーパーキャパシタから利用可能な最大電力（Ｐ_max）は以下の方程式を用いて計算された。
Ｐ_max＝Ｖ²／４Ｒ
式中、Ｖはキャパシタの最大動作電圧であり、Ｒはキャパシタの単純ＲＣモデルから定められた抵抗である。

図１７の例のＰ_maxの値は、一方ではそれぞれの装置の質量で除算されて重量Ｐ_maxを与え、他方ではそれぞれの装置の容積で除算されて容積Ｐ_maxを与えた。次にこれらの値は時定数に対してそれぞれ図１４および図１５にプロットされた。

図１２から図１５にまとめて特に示されたように、上述の例に説明されたスーパーキャパシタは非常に有利なパルス電力負荷の特徴をもたらす。すなわち、低い応答時間Ｔ₀および時定数は、負荷の切換またはパルス化が発生する適用例で遭遇するのと同様に、高周波数負荷に対する優れた過渡応答を確実にする。例に示された高い重量ＦＯＭおよびＰ_maxならびに高い容積ＦＯＭおよびＰ_maxと組合わせると、これは、この発明が広範囲の用途に適用されるのを可能にする。この点を示すため、例１のスーパーキャパシタは、回生ブレーキングおよび短期間の高いトルクの設備を容易にする高電力自動車への適用ならびに対応する高い電流負荷の必要性に対して主に意図される。しかしながら、例４のスーパーキャパシタは、携帯電話のバッテリと並行して用いることが主に意図される。

図１２から図１５のグラフの各々は、示された範囲の上部領域にわたって延在する、２本の実線を含む。各々の場合、これらの線は、図１７に示された例３および例１２向けに示されているさまざまなパラメータの理論上の上限を表わす。特徴の所与の組合せおよび炭素コーティングの所与の調製については、パッケージングの容積または質量の装置全体への寄与が小さい、理論上の最大値が存在する。他の調製については、理論上の最大値は異なる。

本明細書中の教示の利点により、スーパーキャパシタのさまざまなパラメータがいずれの特定の用途の特定の要件にも合うように容易に調整されるという点においても、この発明が有利であることが当業者には認められるであろう。すなわち、この発明は寸法適用に特に適する。例として、図１６は、この発明の多数の他の実施例向けのさまざまな計算された特徴を示す。より薄い層は、より低い時定数と応答時間だけでなく、より高い出力密度と効果尺度をもたらすことをこれは示している。

図に含まれる実線は２つの所与の調製の限界を表わすことがわかる。しかしながら、拡大された動作性の範囲をもたらしかつより低い時定数だけでなくより高い効果尺度と出力密度を達成することを可能にする他の調製が存在する。

図１６の計算は以下のものの抵抗を含む装置の抵抗に基づくものである。それらはすなわち、
１．端子、
２．アルミニウム電極、
３．電極／炭素インターフェイス、
４．炭素粒子間インターフェイス、
５．炭素層の中の電解質および
６．セパレータの中の電解質、である。

この発明はこのモデルを用いて、高容量、高い効果尺度、高い出力密度および所望の応答時間を依然として提供しながら、さまざまな抵抗を最適化する。

重量ＦＯＭは重量出力密度に従って尺度が決まることが予測され、容積ＦＯＭは容積出力密度に従って尺度が決まることが予測される。これらの後者の量は、Ｖ²、１／Ｒおよび１／質量または１／容積のいずれかに比例する。したがって、適用のために最適化される所与の電圧に対し、ＦＯＭの増加は、減少するＲ、減少する質量および減少する容積によりもたらされる。コーティングの所与の調製および所与の厚みについては、Ｒは電極の面積と本質的に反比例する。最小限のパッケージの質量または容積については、質量および容積は電極の面積に比例する。したがって、「より大きな」装置を作ることは、より少ないパッケージングによりＦＯＭを僅かに増加させるにすぎない。したがって、装置の所与のサイズについては、装置にとって望ましい時定数または応答時間と両立するコーティングの厚みを減じることにより、抵抗が最小化される。次に、炭素の混合の選択およびコーティング材料の調製によって、装置の容量が定められる。

この発明のスーパーキャパシタの優れた性能は、炭素粒子およびプロトン化されたカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の混合剤の使用によってもたらされる個別の炭素粒子間の向上した導電性により寄与されるとも考えられる。理論に縛られることを望まなければ、そのような向上した導電性は以下に示される多数の要因の結果であると考えられる。それらはすなわち、個別の炭素粒子の増加した密集度、個別の炭素粒子の表面上の分子間空間への増加した電解質の移動および炭素粒子と電解質間のインターフェイス領域のサイズの全体的な減少である。高表面積炭素と高導電性炭素の混合がこれらの効果を最適化すると考えられる。

さらに、プロトン化されたＣＭＣの相対的な不溶性がこの発明のスーパーキャパシタの増加した全体的な寿命に寄与する。

「浸漬された」という用語または同様の用語は、他に明確に注記されなければ、電解質の中の電極の配置を参照して用いられる際に、過剰な電解質が用いられるそれらのスーパーキャパシタだけでなく電解質の量が電極を単に湿らせるのに十分なスーパーキャパシタも含むことが意図されることがわかる。すなわち、電解質の量は、スーパーキャパシタの動作を可能にするのに十分な量だけ必要である。

上述の例は別々のセルに主に関するが、この発明はバイポーラ構成にも適用可能なことも認められる。

さらに、「有機電解質」という用語または同様の用語が有機溶媒中の電解質を指すことが認められる。

比較の目的のため、図１７は、いくつかの先行技術のスーパーキャパシタだけでなくこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表を提供する。

図２１を参照すると、電荷蓄積装置３０１は封止された柱状のハウジング３０２を含む。２つの対向する折り曲げられた矩形のアルミニウム電極３０３および３０４がハウジング３０２内に配置され、それぞれ金属端子３０５および３０６に接続されて電極への外部からの電気的接続を可能にする。ソルポア（登録商標）シートセパレータ３０７は電極３０３および３０４の間に配置され、それらの電極を固定された間隔をあけられた構成に維持する。電解質（図示せず）も電極間に配置される。

セパレータ３０７は「ポケット」構成に形成され、それは折り返され、横方向の端はともに固定されて横方向の端の間に開口３０８を設ける。図示を容易にするため、セパレータ３０７は２本の折り曲げ線を有するように示される。しかしながら実際には、対向する電極に対してセパレータが直接的に隣り合うと、１本の折り曲げ線が用いられる。セパレータの多孔質の性質により、電極間の電解質中のイオンの移動が可能になる。

各々の電極は、それぞれの端子３０５および３０６と電気的に係合する少なくとも１つのタブ３０９を有する単一の同様のアルミニウムシートから形成される。電極は、図面に示される重なりおよび入れ子状の構成に折り曲げられる。ここでも、図示を容易にするために、電極３０４が２本の折り曲げ線で示されることがわかる。しかし実際には、この電極がセパレータ３０７に対して直接的に隣り合うように単一の折り曲げが作られる。

電極３０３は開口３０８内で受けられ、タブ３０９のみが「ポケット」またはパウチから延在するようにセパレータ３０７によって包まれる。次にこの電極とセパレータとの組合せが折り曲げられた電極３０４に挿入されて単一の容量セルを完成する。この実施例では単一のセルのみが示されるが、他の実施例では２つまたはそれ以上のこのようなセルが用いられる。電極の電極面積は約１０２ｃｍ²であり、２．５ボルトで約２８ファラッドの公称容量を与える。

各々の電極３０３および３０４は活性炭の高表面積コーティング３１０を含む。このコーティングは予め定められた厚みのものであり、炭素と電極間の密な係合を容易にする結合剤を含む。

端子３０５および３０６はハウジング３０２の内側から外側に延在するため、それらはそれぞれの端の間をハウジングと封止するように係合される。この実施例では、封止係合は２つのゴムのグロメット３１１および３１２により行なわれる。他の実施例では、他の材料または材料の組合せから作られるグロメットが用いられる。たとえば、ある装置はシリコンの封止化合物および接着剤を用いる。

図２２から図２４を参照して、電極３０３および３０４がより詳細に説明される。より特定的には、図２３に最もよく示されるように、電極３０３は実質的に矩形であり、２つの矩形のサブシート３１５および３１６を含む。サブシートは一体となるように形成され、共通の端縁３１８を規定する折り曲げ線３１７のまわりで対称である。シート３１５および３１６は、図２４に示されるように隣接してまとめてタブ３０９を規定する、それぞれ一体として形成された矩形のサブタブ３１９および３２０を含む。

シート３１５は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３２１および３２２を含む。さらなる端縁３２３は端縁３２１と３２２の間に延在する。図２３にも示されるように、タブ３１９は、端縁３２２と端縁が会うところに隣接する端縁３２３から離れて延在する。同様に、シート３１６は、垂直方向に端縁３１８から離れて延在する２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３２５および３２６を含む。さらなる端縁３２７は端縁３２５と３２６の間に延在する。また同様に、タブ３２０は、端縁３２６とその端縁が会うところに隣接する端縁３２７から離れて延在する。

電極３０３は片側のみを活性炭でコーティングされ、次に、図２１に示されるようにコーティングされた側が外向きになるように線３１７の付近で折り曲げられる。

電極３０４は、それぞれのタブ３０９が間隔をあけられるように、それが反対の向きに交互に配されることを除けば、電極３０３と同じである。これは以下に詳述される。便宜上、電極の対応する特徴は対応する参照番号で示される。

セパレータ３０７は、縮尺に従わずに図２２に平面で示され、共通の端縁３３３に沿って一体として形成される２つの矩形のサブシート３３１および３３２を含む。この端縁も折り曲げ線３３４を規定する。シート３３１は、垂直方向に端縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３３５および３３６も含む。自由端縁３３７は端縁３３５と３３６の間に延在する。同様に、シート３３２は、垂直方向に端縁３３３から離れて延在する、２つの間隔をあけられかつ平行な端縁３３９および３４０を含む。自由端縁３４１は端縁３３９と３４０の間に延在する。

製造の間に、電極３０３は、シート３１５および３１６のコーティングされた側が反対にかつ外向きになるように、線３１７の付近で折り曲げられる。さらに、タブ３１９および３２０が当接する。これとは別に、セパレータ３０７は、端縁３３５および３３９が平行でかつともに当接し、端縁３３６および３４０が平行でともに当接し、かつ端縁３３７および３４１が平行に互いに隣接するように、線３３４の付近で折り曲げられる。その後、端縁３３５および３３９がともに結合され、端縁３３６および３４０がともに結合される。いくつかの実施例では、これは接着剤を用いて達成され、他の実施例では熱溶接または他の熱処理が用いられる。さらなる実施例では、端縁は結合されない。

図２４に最もよく示されるように、電極３０３は次に、セパレータ３０７によって形成される「パウチ」または「ポケット」内で入れ子状にされる。示されたように、セパレータは電極３０３の実質的にすべてを包み、以下に説明されるように、電極３０３および３０４を間隔をあけた構成に維持する。タブ３０９は、隣接する端縁３３７および３４１を超えて外向きに延在して、端子３０５へのその電気的接続をもたらす。図示を容易にするため、図２４に、セパレータ３０７は熱溶接により結合された端縁３３６および３４０とともに示されるが、端縁３３５および３３９はまだ結合されていないが隣接している。

次に電極３０４は、電極３０３を形成するのと同様のコーティングされたシートを折り曲げることにより形成される。より特定的には、折り曲げは、シート３１５および３１６のコーティングされた側が対向しかつ内向きになるように、折り曲げ線３１８に沿って作られる。さらに、タブ３１９および３２０は互いに隣接しかつ対向する。次に図２４のアセンブリは、図２５に最もよく示されるように電極３０４内に入れ子状にされ、電極のそれぞれのタブ３０９は間隔をあけられる。次に電極３０４のタブ３１９および３２０は、端子３０６に当接しかつ固定されて電極への外部からの電気的接続をもたらす。

図２５の電極のアセンブリは単一セルと称され、本明細書中の教示から当業者には認められるように、複数のセルが平行に接続されてスーパーキャパシタ３０１の容量を比例して増すことができる。他の実施例では、複数のセルが平行に積み重ねられて、同様の電極３０３および３０４に対するそれぞれのタブ３０９が同様のタブの２つの間隔をあけられた積み重ねを形成する。各々の積み重ねの中のタブは次にともにクランプされ、積み重ねがそれぞれの端子３０５および３０６に電気的に接続される。

この発明の好ましい実施例は非水性の電解質を用いて高いエネルギ密度を達成する。しかしながら、このタイプの電解質に関するそれと反対の従来の知識にもかかわらず、それらが高い出力密度およびＦＯＭも達成できるのは驚くべきことである。この結果は、スーパーキャパシタの全体的な抵抗を減じる一致した試みにより、好ましい実施例において達成される。以下の特徴を用いることがこの結果に寄与する。すなわち、
・電解質によって与えられる、電流径路の長さしたがって抵抗を最小化する、薄い非常に多孔質のセパレータ、
・単位体積当りの高容量を依然として提供しながら、アルミニウム電極に炭素を介した短い電流径路を提供するための（約１００ミクロンよりも薄い）高表面積炭素の薄い層、
・炭素層の導電性を向上させるための導電性カーボンブラックを含む炭素の混合および
・（１．０モルのオーダの）高濃度の塩を含む電解質、である。

いくつかの実施例では、結合剤を含む各々の炭素コーティングの厚みは１００ミクロンよりも少ない。図１７および図２０に示される例については、それぞれの炭素コーティングの厚みが示される。６ミクロンのコーティングの例外があるものの、炭素粒子の直径は僅か６から８ミクロンである。しかしながら、６ミクロンのコーティングのためには、僅か２ミクロンの直径に研削される同じサイズの粒子が用いられる。より小さい僅かな直径の炭素が用いられる実施例では、コーティングはここでもさらに薄い。

単位体積当りでより大きな容量を与えるのに、従来の知識では比較的厚い炭素コーティングを用いてきた。そのようなコーティングは約１５０ミクロンまたはそれよりも大きいオーダである。しかしながら、説明された実施例で用いられたように、炭素コーティングを通る電流径路の長さが小さくなるに従い、より薄いコーティングが減じられたｅｓｒをもたらすことがわかっている。薄いコーティングはまた、それらが先行技術の装置で用いられるより厚いコーティングよりも少ない容積しか占めないため、高いＦＯＭにプラスの寄与を有する。しかしながら、この発明の好ましい実施例に従う装置は、活性炭およびプロトン化された結合剤の使用により利用可能な表面積が比較的高いままであるため、比較的高い容量を依然として提供するのは驚くべきことである。

理論に制限されることは望まないが、より薄いコーティングが用いられると、別のメカニズムが働き始めることがここで理解される。より特定的には、好ましい実施例で用いられた活性炭は、結果として炭素コーティング内に粒子間のボイドを生じる。これらのボイドは典型的に入り組んだ性質のものである。炭素粒子のサイズよりも著しく大きな厚みを有する先行技術のコーティングについては、コーティングのインピーダンスは高い。しかしながら、コーティングの厚みが炭素粒子のサイズと同じオーダの大きさである好ましい実施例のコーティングについては、インピーダンスに対する粒子間のボイドの影響は最小限である。すなわち、活性炭粒子のサイズ、炭素層の厚みおよびその層によって与えられる結果として生じるインピーダンスの間の強い関係が存在することが発見された。

この発明の好ましい実施例はより薄い炭素コーティングを用いてこの関係を利用し、それにより単位体積当りのより高い容量、したがって高いＦＯＭを達成する。

ＦＯＭを定めるための容積および質量の測定は、電極、セパレータおよび電解質が収容されるパッケージを考慮に入れる。この発明の説明された実施例を用いて達成可能である高いＦＯＭは、パッケージ自体および別個の構成要素をパッケージ内に配置するコンパクト化の方法によっても寄与される。

この発明に従って作られたより大きなスーパーキャパシタについては、絶対的に必要であるよりも重くかつかさばるパッケージを用いて、依然として比較的高いＦＯＭを達成することが公知である。たとえば、厳しい環境での動作のために非常に頑丈なパッケージを有することが望ましい場合、ＦＯＭにおける何らかの妥協が許容される。しかしながら、これらのより大きな装置に対しては、装置の全体的な容積または重さに比例して寄与するところが減少するパッケージのために、比較的高いＦＯＭが依然として可能である。

いくつかのより小さな装置については、柔軟な多層プラスチックパッケージの使用により、高いＦＯＭが一部達成される。そのようなパッキングの例は、本発明の出願人の名前で同時係属中の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９９／００７８０に開示される。このＰＣＴ出願中の開示は、相互参照により本明細書中に援用される。

この発明は特定の例を参照して説明されたが、それが多くの他の形で実現され得ることが当業者には認められるであろう。

スーパーキャパシタの形の、この発明に従う電荷蓄積装置の斜視図である。 この発明の第１の実施例に従う、電極の構成の概略図である。 シート電極の概略的な側面図である。 交互に配された複数の図３のシート電極を用いた、この発明の別の局面に従う、電荷蓄積装置の概略的な平面図である。 この発明に従う代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図５のスーパーキャパシタの概略的な左側面図である。 図５のスーパーキャパシタの概略的な右側面図である。 この発明に従うさらなる代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図８のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。 この発明に従う別のスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図１０のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。 図１０のスーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明の特定の例のための、重量ＦＯＭ対Ｔ₀のグラフの図である。 この発明の特定の例のための、容積ＦＯＭ対Ｔ₀のグラフの図である。 この発明の特定の例のための、重量当りの最大電力対時定数のグラフの図である。 この発明の特定の例のための、容積当りの最大電力対時定数のグラフの図である。 この発明の寸法適用性を示す表である。 いくつかの先行技術のスーパーキャパシタおよびこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表である。 この発明の別の局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明のさらなる局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明に従って作られたスーパーキャパシタのさらなる例を示す表である。 この発明の１つの実施例に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 図２１のスーパーキャパシタ用のセパレータの平面図である。 図２１のスーパーキャパシタの電極の１つの概略的な平面図である。 図２２のセパレータおよび図２３の電極を含む電極アセンブリの概略的な斜視図である。 図２３に示されたものと同様の電極内に入れ子状にされた、図２４のアセンブリの概略的な斜視図である。

符号の説明

１ スーパーキャパシタ、３ 第１の端、４ 第２の端、６ 側壁、７ 上面、８ 底面、９，１０ ポート、１１，１２ 端子、１３，１４ 封止材、２１ 第１のシート電極、２２ 第１のタブ、２３ 第２のシート電極、２４ 第２のタブ、２５ セパレータ、２７，２８ 開口、２９，３０ 導電ロッド。

Claims (6)

1. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
   第１の電極と、
   第１の電極に対向し、第１の電極から間隔をあけられた第２の電極と、
   電極間に配置された多孔質セパレータと、
   電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
   第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の応答時間（Ｔ₀）は約０．０９秒未満である、電荷蓄積装置。
2. Ｔ₀が、
   約０．０９秒から１０^-2秒、または
   約１０^-2秒から１０^-3秒、または
   約１０^-3秒から約１０^-4秒、または
   約５×１０^-5秒未満、
   の範囲内にある、請求項１に記載の装置。
3. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
   発泡しない炭素から形成された第１の層を有する第１の電極と、
   発泡しない炭素から形成された第２の層を有する第２の電極とを含み、第２の層は第１の層に対向し第１の層から間隔をあけられており、前記装置はさらに、
   電極間に配置された多孔質セパレータと、
   電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
   第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、第１および第２の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は２０ｍ²／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
4. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
   第１の基板およびこの基板によって支持された第１の炭素層を有する第１の電極を含み、前記層は少なくとも約４００ｍ²／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、前記装置はさらに、
   第２の基板および第２の基板によって支持された第２の炭素層を有する第２の電極を含み、この第２の層は少なくとも約４００ｍ²／グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第２の層は第１の層と対向し第１の層から間隔をあけられ、前記装置はさらに、
   電極間に配置された多孔質セパレータと、
   電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
   第１の電極および第２の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第１の端子および第２の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約４．８ワット／グラムより大きい、電荷蓄積装置。
5. 前記炭素の表面積が少なくとも１２００ｍ²／グラムである、請求項４に記載の装置。
6. 少なくとも１つの層が１種類より多くの炭素を含む、請求項４に記載の装置。

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