JP2007234827A - 電気二重層キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気二重層キャパシタにおいて、封口板が凹状容器に対してずれるなどして封止性や作業性が低下する不都合、並びに、電気的な長期特性の低下を抑制することができる電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。
【解決手段】 電解液、第一の電極、第二の電極、該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータ、前記第一の電極と結合する第一の集電体を収納容器内に収納した電気二重層キャパシタであって、前記収納容器は、凹状の第一の容器部材と、該第一の容器部材の開口部と熱融着される板状の第二の容器部材とからなり、前記第二の容器部材には、少なくともひとつの貫通孔が設けられ、該貫通孔を封止材にて封止したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ及びその製造方法に関するものであり、特に収納容器が少なくとも２つの容器部材からなり、該容器内部に、電気二重層キャパシタの電解液、電極やセパレータ等の構成部材を収納した状態で、２つの容器部材を溶接により接着した構成の電気二重層キャパシタ、及びその製造方法に用いて好適なものである。

従来、電気エネルギーを蓄積するデバイスとして、化学電池以外に、活性炭等の比表面積の大きな電極材料を用いた電極と、電解液とを使用し、上記の電極を対向するように設け、電解液によってヘルムホルツ層と呼ばれる誘電体層を形成するようにした電気二重層キャパシタが知られている。

このような電気二重層キャパシタとしては、一般に、一対の容器部材からなる収納容器内に、一対の電極と該電極間に設けられたセパレータと電解液とを収納させたものが知られている。その中でも、容器部材が金属製の円形状缶体からなり、絶縁パッキンを介して円形状缶体相互を絶縁状態で結合させて一対の缶体が端子を兼ねる前記収納容器が構成されたコイン型の電気二重層キャパシタが利用されている。

電気二重層キャパシタは、電解質イオンの移動によって蓄電するため、酸化還元反応を伴う化学電池に比べて、急速な充放電ができ、小型大容量を実現できると云う利点があり、近年ではこの利点を活かして携帯電話や家庭用電気製品のバックアップ電源、補助電源として用いられている。

これらの電気二重層キャパシタは、各種電子機器のプリント基板にハンダ付けされ、実装されるものであるため、従来のコイン型の電気二重層キャパシタでは、これをプリント基板にハンダ付けするためのリード端子を別途、取り付ける必要があった。

このため、特許文献１には、収納容器が凹状容器とその開口部を封する封口板からなり、この収納容器内に一対の電極と該電極間に設けられたセパレータと電解液とを収納させ、この収納容器にセラミックや樹脂を用いて、端子を一体化させた電気二重層キャパシタについて開示されている。このよう特許文献１のコイン型の電気二重層キャパシタでは必要であった工程、即ち、プリント基板との電気的結合のための端子とりつけ工程を省略でき、また、プリント基板上での実装面の低面積化が可能となった。

一方、特許文献２には、あらかじめ電気二重層キャパシタの収納容器を構成する２つの容器部材を兼ねる２枚の集電体を絶縁状態で結合させるためのガスケットの側面に貫通孔が形成されており、前記貫通孔を通じて電解液を注液する電気二重層キャパシタが開示されている。

また、特許文献３にも、２つの容器部材を溶接して収納容器を形成した後に、この収納容器に予めあけられた貫通孔から電解液を注液する電気二重層キャパシタが開示されている。
特開２００１−２１６９５２号公報 特開平６−１８８１４９号公報 特開２０００−２９４４５４号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術には、封口板が凹状容器に対して位置ずれするなどして、封止性や作業性が低下する不都合があった。特に、封止性を損なう場合には、電解液の液漏れなどが生じ、電気二重層キャパシタの電気的特性の低下や不良を招く惧れがある。

また、特許文献２、及び特許文献３の従来技術では電解液を注液するための貫通孔が収納容器の横に存在するので、該貫通孔から電解液を注液することになるため、以下の不都合を招く惧れがあった。第１に、貫通孔の開口面積が比較的小さいため、十分な液量の電解液を注入できなかったり、横から注液するため、電解液を収納容器の内部の奥まで注入できなかったりする惧れがあった。従って、収納容器内の電極部分に十分に電解液を含浸できない不良を招き、電気二重層キャパシタの電気的特性の低下や不良を招く惧れがあった。第２に、収納容器の横に貫通孔があるので、電気二重層キャパシタを水平に置いての保管時や使用時に、該貫通孔の栓の経時劣化による液漏れを招き、長期特性が低下する危惧があった。

従って、本発明は、封止性や作業性の劣化、並びに、長期特性の低下を抑制することができる電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。

本発明に係る電気二重層キャパシタは、電解液、第一の電極、第二の電極、該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータ、前記第一の電極と結合する第一の集電体を収納容器内に収納した電気二重層キャパシタであって、前記収納容器は、凹状の第一の容器部材と、該第一の容器部材の開口部と熱融着される板状の第二の容器部材とからなり、前記第二の容器部材には、少なくともひとつの貫通孔が設けられ、該貫通孔を封止材にて封止したことを特徴とする。

なお、前記第二の容器部材が前記第二の電極と結合する第二の集電体を兼用してもよい。

また、前記貫通孔の開口面積の総和は、前記第二の容器部材の板状をなす面積に対する割合が２０％以下であることが好ましい。

本発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法は、電解液、第一の電極、第二の電極、及び該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータを凹状の第一の容器部材の内部に収納した後、該第一の容器部材の開口部と板状の第二の容器部材の周辺部とを熱融着することによって、前記両容器部材からなる収納容器を構成し、この後に、前記第二の容器部材に設けられた少なくともひとつの貫通孔を封止材によって封止することを特徴とする。

また、本発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法は、電解液、第一の電極、第二の電極、及び該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータ、及び前記第一の電極と結合する第一の集電体を凹状の第一の容器部材の内部に収納した後、前記第二の電極と結合する第二の集電体を兼用する第二の容器部材の周辺部と前記第一の容器部材の開口部とを熱融着することによって、前記両容器部材からなる収納容器を構成し、この後に、前記第二の容器部材に設けられた少なくともひとつの貫通孔を封止材によって封止することを特徴とする。

なお、上記製造方法の発明において、前記第二の容器部材に設けられた前記貫通孔の開口面積の総和は、前記第二の容器部材の板状をなす面積に対する割合が２０％以下であることが好ましい。

本発明の電気二重層キャパシタにおいては、前記第二の容器部材に少なくともひとつの貫通孔を有するものを用いることにより、前記第一の容器部材と前記第二の容器部材との溶接の際に加熱により発生した電解液のガスが、前記貫通孔を通じて電気二重層キャパシタ外部に排出されるため、発生したガスにより前記第二の容器部材がずれることがなく溶接作業を終えることが出来、溶接時の作業性、および封止性を向上させることができ、従って電気二重層キャパシタの歩留まりを向上させることができる。また、前記貫通孔を通じて溶接時の加熱により発生した電解液のガスが電気二重層キャパシタ外部に排出された後、封止材を用いて封止するので、電気二重層キャパシタ内部の圧力が上昇することなどに起因する電解液の漏洩や、電極などの劣化を防止でき、電気二重層キャパシタの長期特性劣化の抑制が可能となる。さらに、上方に貫通孔があるので、保管などの間に該貫通孔の栓が経時劣化しても液漏れを低減でき、長期特性低下を抑制できる。

また、前記第二の容器部材は前記第二の電極と結合する第二の集電体であってもよい。なお、前記第二の容器部材が第二の集電体を兼ねることにより、電気二重層キャパシタの構成部材数およびその製造工程を低減し、製造コストを削減する効果がある。

前記第二の容器部材に形成された貫通孔の開口面積の総和は、集電体外枠が占める面積に対する割合が２０％以下であることが好ましい。これにより溶接時に発生したガスを効率よく外部に排出できるとともに、封止材を用いて封止した封止部の封止性が低下しない。

前記貫通孔は、様々な形状であっても良い。例えば、円形や方形、スリット状などが好ましい。また、電気二重層キャパシタの内側に面する孔径と、外側に面する孔径が異なっていても構わない。また、前記貫通孔は複数であってもよい。

本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。

ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

従来技術では、一対の容器部材としての凹状容器と封口板で構成される前記収納容器の内部に電解液を有する電気二重層キャパシタにおいて、封口板を凹状容器の開口部分に溶接する際、電解液が溶接の際の熱により加熱されて多量のガス発生がおこるため、封口板が凹状容器に対してずれするなどして封止性や溶接作業の作業性が低下することを本発明者らは見出した。加えて、このようなガス発生により、電気二重層キャパシタの内圧が上昇するため電気二重層キャパシタの長期特性が低下することも見出した。

そこで、本発明により、こうしたガス発生などによる封止性や作業性劣化、電気二重層キャパシタの内部圧力上昇による長期特性劣化を抑制した電気二重層キャパシタを提供する。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
（実施例１）
実施例１における電気二重層キャパシタ１０００を図１に示す。

同図において、１ａは電荷を蓄積する第一の電極、１ｂは電荷を蓄積する第二の電極、２は電極１aと電極１ｂを電気的に絶縁するセパレータ、３は２９Ｎｉ−１７Ｃｏ−Ｆｅ合金（コバール）等から成るシールリング、４は凹状形状の容器（以下、凹状容器と称する）、５は第一の集電体、６は第一の接続端子、７は第二の接続端子、８は板状の第二の集電体、９は貫通孔、１０は封止材である。本実施例においては、凹状容器４と第二の集電体８とによって、容器を構成しており、凹状容器４が第一の容器部材に相当し、第二の集電体８が第二の容器部材を兼用している。

電極１は、比表面積が２０００ｍ^２／ｇの活性炭粉末にアセチレンブラック１０ｗｔ％、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）１０ｗｔ％を加え混練して作製される。本実施形態では、３．５ｍｍ角で厚み０．６ｍｍの電極を用いる。

セパレータ２には、ガラス繊維などからなるものを用いる。

電解液は、溶媒にプロピレンカーボネートを用い、溶質である（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート）を１ｍｏｌ／ｌの濃度になるように溶解させて調製する。

第一の集電体５には、金めっきしたタングステンを用いる。第二の容器部材を兼ねる第二の集電体８には、コバール板を用いる。

凹状容器４は、一辺が５ｍｍの正方形で高さが１．５ｍｍのアルミナ製である。

次に、電気二重層キャパシタ１０００の製造方法について説明する。

図１を参照して、凹状容器４内に、第一の集電体５、上記の２枚の電極１のうち一方の電極１ａを設置し、その上にガラス繊維製のセパレータ２を設置し、収容する。次いで上記のように調整した電解液（図示せず）を凹状容器４内に注液し、３０秒間４０ｋＰａで真空含浸する。

次に、第二の容器部材を兼ねる第二の集電体８が凹状容器４とシールリング３を介して、第一の集電体５に対をなす形で、抵抗加熱溶接（パラレルシーム溶接等）や電子ビーム溶接にて熱融着される（以下、パラレルシーム溶接の場合で説明する）。

第二の集電体８は直径８９０μｍの貫通孔９を有している。この貫通孔９は、上記パラレルシーム溶接後に、封止材１０によって封口される。なお、封止材１０にはアスファルトピッチが用いられ、これを貫通孔９に塗布して乾燥させることで封口する。

この工程により、パラレルシーム溶接の際に、電解液が沸点以上に加熱されて多量のガス発生がおきても、封口板がずれるなどして封止性や溶接作業等の作業性が低下するという問題や、電気二重層キャパシタ内部の内圧が上昇するため電気二重層キャパシタの長期特性が低下するという問題を抑制しうる。

なお、アルミナ製の凹状容器４の凹部内部底面にはタングステン上に金めっきを施した第一の集電体５となる金属層が配されており、凹部容器４の壁面内部を貫通する接続端子６が接続されている。一方、タングステン上に金メッキを施した配線が凹状容器４の開口部の上端面から凹状容器４外側底面にある接続端子７に向けて接続されている。また、凹状容器４の開口部の上端面にはシールリング３が設けられている。第二の集電体８には厚さ０．２ｍｍのコバール板が用いられ、上記の２枚の電極１のうち一方の電極１ｂを貼り付ける。

図２に比較例である電気二重層キャパシタ１００を示す。電気二重層キャパシタ１００は、上記電気二重層キャパシタ１０００における貫通孔９、封止材１０を有しておらず、第二の集電体８の代わりに集電体を兼ねる封口板１０８に厚さ０．２ｍｍのコバール板が用いられ、パラレルシーム溶接にて凹状容器１０４とシールリング１０３を介して溶接して封口されており、これら以外は実施例１と同様である。

すなわち、同図において、電極１０１ａは電極１ａ、電極１０１ｂは電極１ｂに対応し（電極１００は電極１に対応）、セパレータ１０２はセパレータ２、シールリング１０３はシールリング３、凹状容器１０４は凹状容器４、集電体１０５は第一の集電体５、接続端子１０６は接続端子６、接続端子１０７は接続端子７に対応する。

次に、上記の本発明の実施例の電気二重層キャパシタ１０００および比較例の電気二重層キャパシタ１００の性能を比較した結果について、以下で説明する。具体的には、目視による確認と、確認実験を行った。目視による確認では、電気二重層キャパシタ１０００および電気二重層キャパシタ１００をそれぞれ１００セルずつ作製し、第二の集電体８あるいは集電体をかねる封口板１０８の位置ずれの有無、あるいは液漏れの有無を目視により確認し、第二の集電体８あるいは集電体をかねる封口板１０８のずれあるいはセルからの液漏れのいずれかがある電気二重層キャパシタを封止性に問題ありと判断し、封止性に問題がない電気二重層キャパシタの歩留まりを計算した。

確認実験については、作製した前記の両電気二重層キャパシタを２５℃の恒温槽内に設置し、３．３Ｖの電圧印加を行い、３０日経過したときの内部抵抗値を測定した。確認実験後において内部抵抗値が１ｋΩを越えない電気二重層キャパシタを長期特性に問題がない電気二重層キャパシタとし作製した１００セルに対するその割合を計算することで、長期特性に問題がない電気二重層キャパシタの各歩留まりを計算した。内部抵抗値の測定は、正負極間の抵抗値をオームテスターにより測定することで行った。

以上の、目視による確認と、確認実験による結果を表１に示す。

この結果から明らかなように、貫通孔を有する第二の集電体を用い、貫通孔を通じて電解液から発生したガスを外部に排出することにより、本発明の実施例の電気二重層キャパシタ１０００では、封止性および長期特性が向上していることが分かる。

一方、貫通孔を有しない封口板を用いた電気二重層キャパシタ１００では封止時の歩留まりが低下し、更に長期特性が劣化していることが分かる。
(実施例２)
次に、第二の集電体の面方向における面積に対する、貫通孔の開口面積の割合の違いによる特性の変化についての確認実験の結果について述べる。なお、貫通孔の開口面積とは孔の両端に位置する開口部のうちの面積が小さい方の面積の事を言う。

実施例１の電気二重層キャパシタ１０００において、第二の集電体が有する貫通孔の開口の直径をそれぞれ９０μｍ、２００μｍ、２８０μｍ、６３０μｍ、８９０μｍ、１２６０μｍ、１４００μｍとし、それ以外は電気二重層キャパシタ１０００と同様の条件及び製造方法で電気二重層キャパシタＢ１〜Ｂ７を作製し、実験を行った。電気二重層キャパシタＢ５は電気二重層キャパシタ１０００と同じである。

なお、上記実験では貫通孔は単数であるが、貫通孔は複数であってもよい。この場合は、複数の貫通孔の各々の開口面積の総和が上記電気二重層キャパシタＢ１〜Ｂ７のぞれぞれにおける一つの貫通孔の開口面積と同じであれば同様の結果が得られる。

次に、実施例１で述べた方法により、同様に封止性および長期特性における歩留まりを計算した。この結果を表２に示す。

この結果より、いずれの電気二重層キャパシタにおいても、実施例１で述べた電気二重層キャパシタ１００に比べて封止性および長期特性が向上している。また、貫通孔の開口面積の占める割合が２０％超の電気二重層キャパシタに比べて、貫通孔の開口面積の占める割合が２０％以下の電気二重層キャパシタでは、封止性および長期特性が向上している。

以上の事から、第二の集電体の外枠が占める面積に対して貫通孔の開口面積の合計は２０％以下であることが好ましいことが分かる。

なお、この実験において、最小の貫通孔の直径は９０μｍであり封止性および長期特性が向上していることから貫通孔の直径を０．１ｍｍ未満とすることも可能であるが、加工コストなどの観点を考慮するならば、貫通孔の直径は０．１ｍｍ程度以上とすることが好ましい。

以上で述べてきたことから、少なくともひとつの貫通孔を有する第二の集電体を用い、貫通孔を通じて部材の溶接時にかかる熱により発生したガスを電気二重層キャパシタ外部に排出することにより、封止性が向上し、電気二重層キャパシタの長期特性が向上することが分かる。

なお、本実施形態にかかる電気二重層キャパシタは、実施例１の構造の他に、例えば図３（Ａ）、（Ｂ）に示すような構造であってもよい。すなわち、本発明の技術的思想においては、第二の集電体は、例えば同図の第二の集電体８０、８１に示されるような端部の形状により厳密には板状とはいえない形状であっても、大部分が板状であれば板状の第二の容器部材に含まれる。なお、図１と同じ符号のものは図１で説明したものと同じである。

また、本実施形態にかかる電気二重層キャパシタは、本発明の技術的思想において、実施例１の構造の様に第二の容器部材と第二の集電体を兼用したものの他に、例えば図４に示すように、セラミック等の第二の容器部材２０８と第二の集電体８２が分離しているものも含まれる。第二の集電体８２は第二の電極１ｂ上あるいは第二の容器部材２０８上にアルミニウムを蒸着することなどにより形成される。また、第二の容器部材２０８上などの第二の集電体８２と接続端子間の導電路はめっきにより形成され、シールリング３には、ポリフェニレンサルファイド等が使用される。同図中における図１と同じ符号のものは図１で説明したものと同じである。

本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

実施例１にかかる電気二重層キャパシタを説明する図である。 実施例１の比較例にかかる電気二重層キャパシタを説明する図である。 実施形態にかかる電気二重層キャパシタを説明する図である。 実施形態にかかる電気二重層キャパシタを説明する図である。

符号の説明

１（１ａ、１ｂ） 電極
２ セパレータ
３ シールリング
４ 凹状容器
５ 第一の集電体
６、７ 接続端子
８、８０、８１、８２ 第二の集電体
９ 貫通孔
１０ 封止材
１００（１０１ａ，１０１ｂ） 電極
１０２ セパレータ
１０３ シールリング
１０４ 凹状容器
１０５ 集電体
１０６、１０７ 接続端子
１０８ 封口板
２０８ 第二のケース部材

Claims (6)

1. 電解液、第一の電極、第二の電極、該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータ、前記第一の電極と結合する第一の集電体を収納容器内に収納した電気二重層キャパシタであって、
   前記収納容器は、凹状の第一の容器部材と、該第一の容器部材の開口部と熱融着される板状の第二の容器部材とからなり、
   前記第二の容器部材には、少なくともひとつの貫通孔が設けられ、該貫通孔を封止材にて封止した
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 前記第二の容器部材が前記第二の電極と結合する第二の集電体を兼用することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
3. 前記貫通孔の開口面積の総和は、前記第二の容器部材の板状をなす面積に対する割合が２０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 電解液、第一の電極、第二の電極、及び該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータを凹状の第一の容器部材の内部に収納した後、該第一の容器部材の開口部と板状の第二の容器部材の周辺部とを熱融着することによって、前記両容器部材からなる収納容器を構成し、この後に、前記第二の容器部材に設けられた少なくともひとつの貫通孔を封止材によって封止する
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
5. 電解液、第一の電極、第二の電極、及び該第一電極と第二の電極とを分離するセパレータ、及び前記第一の電極と結合する第一の集電体を凹状の第一の容器部材の内部に収納した後、前記第二の電極と結合する第二の集電体を兼用する第二の容器部材の周辺部と前記第一の容器部材の開口部とを熱融着することによって、前記両容器部材からなる収納容器を構成し、この後に、前記第二の容器部材に設けられた少なくともひとつの貫通孔を封止材によって封止する
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
6. 前記貫通孔の開口面積の総和は、前記第二の容器部材の板状をなす面積に対する割合が２０％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。

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