JP2007207920A - キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】収納容器の中間位置に配置された集電体があっても、収納容器の空間を効率良く用いた配線を行うことができ、製造工程が簡単で、低ＥＳＲ化できるとともに引出し電極と集電体との接触部の信頼性を向上させることを目的としたキャパシタを提供する。
【解決手段】収納容器１本体底面と。蓋７や収納容器１の底面から離れた位置に配設された中間集電体である負極集電体５は、収納容器１の内側側面に形成された段差部分で、収納容器１上に形成された負極引出し電極層１０の端部と重なるように配置され、蓋突起７による圧縮力により圧着接続される。正極外部電極９ａと負極外部電極１０ａとが外部回路への接続電極となっており、この電極を介して充放電が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、キャパシタに関し、特に集電体と引出し電極との接続構造に関する。

キャパシタの一つとして良く知られている電気二重層キャパシタは、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するものであり、コンデンサと電池の両方の機能を兼ね備えている。従来のコンデンサと比較して大容量であるとともに、急速充放電が可能であるので、電気二重層キャパシタは、小型で、大容量の充電可能なコンデンサとして、マイコン、メモリ、タイマーのバックアップ用などに広く用いられている。

この電気二重層キャパシタの一般的な例としては、２枚の分極性電極と、この分極性電極間に設けられたセパレータとの積層体の上下面に集電体を配置した構造を一単位セルとして、該セルが複数層積層されて収納容器内に収納され、各セルが直列に接続される構成となっている。

また、等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）を低減する場合には、特許文献１に示されるように収納容器の内部に積層された集電体を同じ極性毎に接続することによってセルを並列に接続することが開示されている。

特許文献１に示される電気二重層キャパシタの並列接続されたセルの例を図１１に示す。電気二重層キャパシタは２枚の正及び負極用の分極性電極４２ａ、４２ｂ間にセパレータ４３が配設された積層体の一方の表面に正極集電体４６が設けられ、他方の表面には負極集電体４７が設けられている。

正極集電体４６、分極性電極４２ａ、セパレータ４３、分極性電極４２ｂ、負極集電体４７を１単位のセルとして、複数のセルが積層された積層構造体が、収納容器４１内に収納されている。また、積層構造体の上下面には加圧板４８、４９が配設され、積層構造体は加圧板４８、４９によってかしめられている。また、各正極集電体４６の間は帯状金属板からなる引出し電極４４によって連続的に接続され、同様に各負極集電体４７の間は帯状金属板からなる引出し電極４５によって連続的に接続され、これによって各セル間は並列に接続されている。

また、加圧板４８、４９は、外部回路への接続電極としても用いられるのが一般的で、この加圧板４８、４９を金属板とし、加圧板４８、４９を介して大電流の充放電が行われる。
特開２００１−１５３８８号公報

しかしながら、上記従来技術のようなセル間の配線方法では、加圧板４８、４９に接触している両端の集電体以外の中間位置に配置された集電体を、極性毎に帯状金属板である引出し電極を折り曲げて接続しているので、引出し電極を収めるスペースを確保しなければならず、スペース効率が悪くなり、小型のキャパシタとしては構成しにくく、また製造工程が複雑になっていた。

また、複数のセルが配置されたキャパシタではなく、１つのセルが配置されたキャパシタであっても、正極集電体又は負極集電体のどちらかが収納容器の加圧板に接しておらず、中間位置に配置されている場合には、この中間位置に配置された中間集電体とリード部として機能する加圧板まで配線する必要があり、図１１と同様な配線が発生する。したがって、複数セルの並列接続と同様、引出し電極を収めるスペースを確保しなければならず、スペース効率が悪くなり、また製造工程が複雑になっていた。

さらに、引出し電極と集電体とを溶接や熱溶着により接合すると、ＥＳＲが増加し、断線の恐れもあるので、信頼性の点でも問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、収納容器の中間位置に配置された中間集電体があっても、収納容器の空間を効率良く用いた配線を行うことができ、製造工程が簡単で、低ＥＳＲ化できるとともに引出し電極と集電体との接触部の信頼性を向上させたキャパシタを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、蓋部を有する収納容器内に正負１対の分極性電極、正極集電体、負極集電体、セパレータが積層されたセルが収納され、前記集電体の少なくとも１つが前記蓋部及び収納容器底面と離れた位置に配置された中間集電体を構成するキャパシタにおいて、前記中間集電体は、前記収納容器上に形成された引出し電極層と圧着接続されていることを特徴とするキャパシタである。

また、請求項２記載の発明は、前記セルは複数積層されており、各セルは電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１記載のキャパシタである。

また、請求項３記載の発明は、前記蓋部に最も近い中間集電体と蓋部との間には、断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のキャパシタである。

また、請求項４記載の発明は、前記中間集電体と引出し電極層との圧着接続は、前記収納容器本体と蓋部との間の圧縮力により行われることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のキャパシタである。

また、請求項５記載の発明は、前記中間集電体と引出し電極層との圧着接続は、前記蓋部の内側に形成された突起により行われることを特徴とする請求項４記載のキャパシタである。

本発明によれば、収納容器の蓋部及び底面とは離れて配置され、収納容器の蓋部及び底面と電気的にも接続されていない中間集電体を、収納容器の一部に一体に形成された引出し電極層と圧着接続するようにしているので、収納容器の空間を効率良く利用することができ、デバイスの組み立ても簡単に行うことができる。また、集電体と引出し電極層とを圧着接続することで、電気的接続の信頼性が向上し、低ＥＳＲ化が図れる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による第１のキャパシタの構造を示す。

例えば、図６に示すような直方体形状の収納容器１に、正の分極性電極３ａ、セパレータ４、負の分極性電極３ｂ、負極集電体５、断熱層６が積層されている。正の分極性電極３ａ、セパレータ４、負の分極性電極３ｂ、負極集電体５、断熱層６は、角形で平板状の形状を有している。収納容器１は蓋７を備えており、収納容器１本体はアルミナやジルコニア等のセラミック等で形成され、蓋７を上部から被せて溶接することにより密閉された容器となるように構成されている。

収納容器１の内側底面部には、Ａｕからなる正極集電体２がめっき、スパッタなどにより形成されている。正極集電体２は、正極引出し電極層９に電気的に接続しており、正極引出し電極層９は収納容器１を貫通し、その一部が正極外部電極９ａを構成する。正極集電体２も角形で平板状の形状を有しており、正極集電体２、分極性電極３ａ、セパレータ４、分極性電極３ｂ、負極集電体５で１つのセル１１を構成している。

負極引出し電極層１０は、収納容器１を貫通し、その一部が負極外部電極１０ａを構成している。正極引出し電極層９及び負極引出し電極層１０ともに、収納容器１の一部を貫通し、または収納容器１の側面に沿って、Ｗメタライズ層、Ｎｉめっき層、Ａｕめっき層により形成されており、収納容器１に積層された一体構造となっている。

収納容器１の縁にはコバール製（Ｃｏ：１７重量％、Ｎｉ：２９重量％、Ｆｅ：残り）のシールリング８を取り付け、シーム溶接による密封が確実に行えるようにしてある。収納容器１へのシールリング８の取り付けは、ろう付けにより行ったが、グリーンシートを焼成して収納容器１および蓋７を作製する際に、グリーンシートにシールリング８を載せて焼成する方法で行ってもよい。蓋７およびシールリング８はコバール製のものを用いたが、収納容器１と熱膨張率が近い材料であれば他の材料でも良い。

蓋７の収納容器底面に向いている側の面（裏面）および蓋突起７ａには、電解液による腐食を防ぐためＮｉめっき、Ａｕめっきが施されている。また、蓋７と負極集電体５との間には、断熱層６が設けられており、断熱層６はガラス繊維等で構成される。

分極性電極３ａ、３ｂは、活性炭粉末からなる電極材料とポリテトラフルオロエチレン等の結着剤とを混練し、これを所定の大きさになるように加工形成したものを用いた。セパレータ４はガラス繊維からなる。負極集電体５は中間集電体に相当し、蓋７や収納容器１の底面から離れた位置（中間部分）に配設されており、蓋７及び収納容器１の底面とは電気的に接続されていない。

この負極集電体５には、Ａｌ箔にＡｕめっきを施したものを用いたが、これに限定されず、Ｃｕ箔等にＡｕめっきを施したもの等、導電性が良く電解液により腐食されないものであれば良い。電解液は、テトラエチレンアンモニウムテトラフルオロボレートとプロピレンカーボネートからなる混合液を用いるが、これに限定されず、他の有機系電解液や水系電解液でも良い。

図１に示すように、負極引出し電極層１０は、収納容器１の一部に形成された段差部分に沿って一体に形成され、収納容器１を貫通して収納容器１の外側面に沿って形成されている。この段差部分で、負極引出し電極層１０の端部と負極集電体５の一部を突出させて形成した端部とが重なるように配置され、蓋突起７による圧縮力により圧着接続される。図１の構成では、正極外部電極９ａと負極外部電極１０ａとが外部回路への接続電極となっており、この電極を介して充放電が行われる。

図１のキャパシタを組み立てるには、以下のように行う。収納容器１本体に、正の分極性電極３ａ、セパレータ４、負の分極性電極３ｂ、負極集電体５、断熱層６を順に入れて積層する。これにテトラエチレンアンモニウムテトラフルオロボレートとプロピレンカーボネートからなる電解液を注入し、蓋７をシールリング８を介して被せ、シーム溶接し密封すると完成する。

蓋７をシーム溶接すると、蓋突起７の圧縮力が、負極引出し電極層１０の端部と負極集電体５の端部にかかるようになる。また、断熱層６が設けられているので、シーム溶接時の熱による電解液の変質や分極性電極の劣化が抑制され、静電容量やＥＳＲが悪化することがなく、特性のバラツキが小さいキャパシタが得られる。

図２に図１の第１のキャパシタの変形例を示す。図１と同じ符号を付しているものは、同じ構成物を示す。図１の構成と異なるのは、蓋突起７ａが設けられておらず、蓋突起７ａによる負極引出し電極層１０の端部と負極集電体５の端部との圧着接続はないが、蓋１２の裏面に負極引出し電極層１０が形成され、この負極引出し電極層１０を覆うようにして断熱層６が形成されていることである。

そして、負極引出し電極層１０は、正面方向から見てＬ字型に形成されており、負極引出し電極層１０の端部が負極集電体５の端部を押さえつけるように構成されている。したがって、蓋１２をシーム溶接すると、蓋１２に一体に形成されている負極引出し電極層１０の圧縮力が、負極集電体５の端部にかかるようになり、負極引出し電極層１０の端部と負極集電体５の端部とが圧着接続する。負極外部電極１０ａと負極集電体５は、圧着接続されている部分の負極引出し電極層１０から金属で構成された蓋１２、シールリング８を経由し、収納容器１の外壁側面に形成されている負極引出し電極層１０を介して負極外部電極１０ａに電気的に接続される。

図３は、図１の第１のキャパシタの他の変形例を示す。図１と同じ符号を付したものは同じ構成物を示す。図１の構成と異なるのは、蓋１３に形成された突起が１箇所だけではなく、蓋１３の裏面全体に渡って、数箇所形成されていることである。収納容器１の内側側面に形成された段差部分で、負極引出し電極層１０の端部と負極集電体５の端部とが重なるように配置され、蓋突起１３ａによる圧縮力により圧着接続されるのは、図１と同じであるが、蓋突起１３ｂを形成して、蓋１３と負極集電体５との熱伝導面積を小さくするとともに、蓋１３と断熱層６との間に空気層を設けることで、蓋１３をシーム溶接した場合の熱の伝導を極力抑えて、断熱層６を極力薄くできるようにしたものである。

図４は、セルが２個積層された場合の第２のキャパシタの構成を示す。例えば、図６に示すような直方体形状の収納容器２１に、下側から、正の分極性電極２３ａ、セパレータ２４、負の分極性電極２３ｂ、負極集電体２５、負の分極性電極２３ｂ、セパレータ２４、正の分極性電極２３ａが積層されている。収納容器２１は蓋２７を有しており、蓋２７を上部から被せることにより密閉された容器となるように構成されている。

収納容器２１の内側底面部と蓋２７の裏面には、Ａｕからなる正極集電体２２がめっき、スパッタなどにより形成されている。正極集電体２２は、正極引出し電極層２９に電気的に接続しており、収納容器２１底面に形成された正極引出し電極層２９は収納容器２１を貫通し、その一部が正極外部電極２９ａを構成する。

一方、収納容器２１の内側側面に形成された正極引出し電極層２９は、上部で折れ曲がるように形成されており、この正極引出し電極層２９の上側端部と蓋２７の裏面の正極集電体２２の端部とが、蓋２７と収納容器２１本体部分との圧縮力により圧着接続するようになっている。このようにして、蓋２７裏面の正極集電体２２と収納容器２１底面の正極集電体２２同士が電気的に接続されて、２つのセルが並列接続される。

分極性電極２３ａ、セパレータ２４、分極性電極２３ｂ、負極集電体２５で１つのセルを構成しており、このセルが２つ積層された形状となっている。負極集電体２５は中間集電体に相当し、蓋２７や収納容器２１の底面から離れた位置（中間部分）に配設されており、蓋２７及び収納容器２１の底面とは電気的に接続されていない。

図１の構成と同様に、負極引出し電極層３０は、収納容器２１の一部に形成された段差部分に沿って一体に形成され、収納容器２１を貫通して収納容器２１の外側面に沿って形成されている。この段差部分で、負極引出し電極層３０の端部と負極集電体２５の端部とが重なるように配置され、蓋突起２７ａによる圧縮力により圧着接続される。ただし、蓋２７の裏面には正極集電体２２が形成されているので、正極と負極とが短絡しないように、蓋突起２７ａの先には絶縁体２８が設けられている。

絶縁体２８は、アルミナペーストやジルコニア等で形成されており、蓋２７と負極集電体２５とは電気的に絶縁されている。その他、シールリング２６の取り付けや、蓋２７のシーム溶接の方法、各部に用いる材料等は、図１で述べたものと同じであるので、説明を省略する。

図４に示す第２のキャパシタの製造方法（組み立て方法）は、例えば、外寸５ｍｍ×５ｍｍ×１．３ｍｍの収納容器２１本体に、正の分極性電極２３ａ、セパレータ２４、負の分極性電極２３ｂ、負極集電体２５、再度負の分極性電極２３ｂ、セパレータ２４、正の分極性電極２３ａを順に入れて積層する。これに電解液を注入し、収納容器２１本体に蓋２７をシールリング２６を介して被せ、シーム溶接し密封すると完成する。

蓋２７をシーム溶接すると、蓋突起２７ａの圧縮力が、負極引出し電極層３０の端部と負極集電体５の端部に、また、蓋２７の圧縮力が、正極引出し電極層２９の上側端部と蓋２７の裏面の正極集電体２２の端部とにかかり、これらの部分が圧着接続して、確実に電気的接続が行われる。

ところで、図４の構成のキャパシタを作製して、交流のＥＳＲ（１ｋＨｚ）を４端子抵抗計で測定したところ、縦２ｍｍ、横２ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの分極性電極を正負合わせて４枚用いた場合のＥＳＲは１６Ωであった。

一方、比較用のキャパシタとして、収納容器に１つのセルを配置し、縦２ｍｍ、横２ｍｍ、厚み０．５ｍｍの活性炭電極を正負合わせて２枚用い、負極集電体は蓋突起により負極引出し電極層と電気的に圧着接続する構造とせずに、蓋、シールリング、負極引出し電極を経由して負極外部電極に電気的に接続する構造とした。

この構造によるキャパシタを４端子抵抗計で交流のＥＳＲ（１ｋＨｚ）を測定したところ、ＥＳＲは３８Ωであった。図４のように分極性電極を薄くし積層し並列に接続することで、同様のパッケージサイズでの上記構造と比較してＥＳＲが５８％小さいキャパシタが得られた。また図４の構成では、集電体と分極性電極の接触面積が上記比較用キャパシタの構造に比べ大きいため、より大電流での充放電が可能である。

図５は、図４の第２のキャパシタの変形例を示す。図４の構成で、蓋突起２７ａの先の絶縁体２８の代わりに、蓋２７と正極集電体２２の間にめっき、スパッタ等で形成した絶縁層としてのアルミナ板１７を挟み、正極と負極との短絡を防ぐようにしたものである。この絶縁層としてはアルミナの他にジルコニア等のセラミック板を用いても良い。

図７は、第３のキャパシタの構成を示す。図４に示すように第２のキャパシタの構成例では、セルが２層、すなわち、正の分極性電極、負の分極性電極が各２層であるのに対し、第３のキャパシタでは、正の分極性電極３３ａ、負の分極性電極３３ｂを各４層とした構造となっており、４層のセルは電気的に並列接続されている。図４の構成では、蓋突起が１本であるのに対し、図７の構成では蓋突起が複数となっている。図８は、蓋３７の上面から見た図であり、蓋突起Ａ、蓋突起Ｂ、蓋突起Ｃの位置を示すものであり、蓋突起は、蓋突起Ａ３７ａ、蓋突起Ｂ３７ｂ、蓋突起Ｃ３７ｃと形成されている。

図７は図８のＡ−Ａ断面を示し、図９は図８のＢ−Ｂ断面を示す。また、図１０は、収納容器３１の外側に形成された正極及び負極の引出し電極層と正極及び負極の外部電極の配置状態を示す。なお、各部の形成方法や構成材料、役割等は、図１、図４で述べたものと同じであるので説明を省略する。ここで、蓋３７の裏面に形成された正極集電体３２と収納容器３１本体の底面に形成された正極集電体３２以外の集電体はすべて中間集電体に該当し、中間集電体は３つ存在することになるので、蓋突起も３つ必要となる。

正極引出し電極層３９は、収納容器３１の右側面を貫通して、収納容器３１の外側側面に沿って形成されており、その一部が正極外部電極３９ａを構成する。正極引出し電極層３９は、収納容器３１底面の正極集電体３２、中間部に配置されている正極集電体３２、蓋３７裏面の正極集電体３２を電気的に接続し、他方、負極引出し電極層４０と負極引出し電極層５０とは、残りの２つの負極集電体３５を負極外部電極４０ａで電気的に接続する。

図７に示すように、まず、収納容器３１の左側面に形成された段差部分で上側の負極集電体３５の一部が突出して形成された端部と負極引出し電極層４０の端部とが重なるように配置され、蓋突起Ａによる圧縮力により圧着接続される。一方、図９に示すように、下側に配置された負極集電体３５についても、収納容器３１の左側面に形成された段差部分（図７よりも低い位置）で、下側の負極集電体３５の一部が突出して形成された端部と負極引出し電極層５０の端部とが重なるように配置され、蓋突起Ｃによる圧縮力により圧着接続される。

他方、図７に示すように、中間位置に配置された正極集電体３２については、収納容器３１の右側面に形成された段差部分で、中間の正極集電体３２の一部が突出して形成された端部と正極引出し電極層３９の端部とが重なるように配置され、蓋突起Ｂによる圧縮力により圧着接続される。

蓋３７をシーム溶接すると、上記のように各蓋突起Ａ、Ｂ、Ｃの圧縮力により、集電体と引出し電極層とが圧着接続し、また、蓋３７の圧縮力が、正極引出し電極層３９の上側端部と蓋３７の裏面の正極集電体３２の端部とにかかり、これらの部分が圧着接続して、確実に電気的接続が行われる。

上記のように、第３のキャパシタでは第２のキャパシタに比べ構造が複雑となるが、同じパッケージサイズでＥＳＲの低減が図れる。また、より大電流での充放電が可能となる。

本発明の第１のキャパシタの構造例を示す図である。 第１のキャパシタの変形例を示す図である。 第１のキャパシタの他の変形例を示す図である。 本発明の第２のキャパシタの構造例を示す図である。 第２のキャパシタの変形例を示す図である。 収納容器の概観を示す図である。 本発明の第３のキャパシタの構造例を示す図である。 第３のキャパシタの蓋突起の位置を示す図である。 第３のキャパシタの蓋突起Ｃ位置おける構造を示す図である。 第３のキャパシタの収納容器の外部電極を示す図である。 従来の電気二重層キャパシタの構成を示す図である。

符号の説明

１ 収納容器
２ 正極集電体
３ａ 分極性電極
３ｂ 分極性電極
４ セパレータ
５ 負極集電体
６ 断熱層
７ 蓋
７ａ 蓋突起
８ シールリング
９ 正極引出し電極層
９ａ 正極外部電極
１０ 負極引出し電極層
１０ａ 負極外部電極

Claims (5)

1. 蓋部を有する収納容器内に正負１対の分極性電極、正極集電体、負極集電体、セパレータが積層されたセルが収納され、前記集電体の少なくとも１つが前記蓋部及び収納容器底面と離れた位置に配置された中間集電体を構成するキャパシタにおいて、
   前記中間集電体は、前記収納容器上に形成された引出し電極層と圧着接続されていることを特徴とするキャパシタ。
2. 前記セルは複数積層されており、各セルは電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
3. 前記蓋部に最も近い中間集電体と蓋部との間には、断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のキャパシタ。
4. 前記中間集電体と引出し電極層との圧着接続は、前記収納容器本体と蓋部との間の圧縮力により行われることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のキャパシタ。
5. 前記中間集電体と引出し電極層との圧着接続は、前記蓋部の内側に形成された突起により行われることを特徴とする請求項４記載のキャパシタ。
   

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