JP2008066376A - 電気二重層キャパシタセル、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型電気二重層キャパシタセルの引出電極の引出し口を完全に密閉し、その密閉を長期間にわたって維持すること、及び電圧バランス均等化回路をキャパシタセルに一体化して、複数のキャパシタセルをモジュール化する作業を簡略化することにある。
【解決手段】樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された２つの引出電極と該引出電極間に接続された電圧バランス均等化回路を有する電気二重層キャパシタ用引出電極複合体において、該引出電極は上下に接続部を残して該樹脂製支持体に中間部が埋め込まれた構造になっている、電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
【選択図】図３

Description

本発明は電気二重層キャパシタに関し、特にアルミラミネートフィルムからなる容器と、該容器内に保持された電解液及び電極材積層体と、該電極材積層体から容器外へ引き出された引出電極とを有する積層型電気二重層キャパシタに関する。

キャパシタは大電流で充電放電を繰り返すことができ、充放電頻度の高い電力蓄積用デバイスとして有望である。

有機電解液中に炭素質電極を浸すと電気二重層キャパシタが得られることは知られている。非特許文献１第３４〜３７頁には、セパレータで２区画に仕切られた槽、槽に満たされた有機電解液、及びそれぞれの区画に浸漬された２つの炭素質電極を有する電気二重層キャパシタが記載されている。有機電解液は有機溶媒中に溶質を溶解した溶液である。

図１は積層型電気二重層キャパシタのセル構造の一例を示す断面図である。このセルは、容器１０と該容器内に保持された電解液（非表示）及び電極材積層体２とを有している。容器１０には通気孔１１及びガス抜き弁４が設けられている。電極材積層体２は集電極５／分極性電極６／セパレータ７／分極性電極６／集電極５の積層体である。図１には正電極と負電極とが一対示されているが、実際は、電極材積層体２の構造は複数積層されて、容器に収納されている。

引出電極８は、電極材積層体２から容器１０の外へ引き出されている。引出電極８は集電極５と一体構造であるか、集電極５に接合された構造である。引出電極８は導電性の板、例えば、アルミニウム板であり、容器１０はアルミラミネートフィルムの袋である。容器１０の引出電極の引出し口は、引出電極８を通過させながら、電解液の流出や外気の侵入を防止する必要がある。

図２はキャパシタセルの引出電極の引出し口を上から見た一部平面図である。この引き出し口は、引出電極の周囲側面、つまり主側面１４、１５及び両端の側面１６、１７に容器１０のフィルムの内側面が接着した密閉構造となっている。

アルミラミネートフィルムの袋にとって引出電極は剛性の異形状物であり、その表面にしわや隙間を形成せずに密着することは困難である。特に引出電極の両端の側面は面積が小さく、アルミラミネートフィルムが完全に接着し難い構造になっている。他方、引出電極の引出し口に少しでも隙間があると、容器内面を這い上がった電解液が、その隙間から漏れてしまう。

特に有機電解液は表面エネルギーが小さく、容器内面を這い上がり易く、引出電極の引出し口の隙間から漏れやすい。また、電気二重層キャパシタの分極性電極は充放電時に膨張収縮して引出電極の引出し口に強い力がかかることがある。さらに、電気二重層キャパシタは２次電池などの電子部品よりも流れる電流が大きく、引出電極は肉厚になり、引出電極の両端の側面の封止はより困難である。

加えて、電気二重層キャパシタは耐用寿命が長く、長期間使用されるものである。そのため、有機電解液を含む電気二重層キャパシタには、特に、引出電極の引出し口を完全に密閉すること、及びその密閉を長期間にわたって維持することが要求される。

特許文献１には、積層型キャパシタセルの引出電極の引出し口を封止する際に、引出電極と容器である金属積層フィルムとの間に絶縁フィルムを位置させて溶着することが記載されている。特許文献２には、容器である金属積層フィルムの内面全体を電極材積層体に溶着して、積層型キャパシタセルを封止することが記載されている。しかしながら、これらの密封構造ではキャパシタセルの密閉性は未だ不十分である。

他方、キャパシタセルを複数直列に接続して高い電圧を得る場合、各キャパシタセルの電圧バランスを均等化する必要があり、そのための回路が提案されている。例えば、非特許文献１第１５３〜１５５頁には、並列モニタとして、キャパシタセルの両極に接続されたツェナーダイオード及びシャントレギュレータＩＣとパワートランジスタとダイオードを組合わせた回路が説明されている（同非特許文献１、第１５４頁、図５−１５（ａ）及び（ｂ））。特許文献３にはこの原理を応用した充電制限回路が記載されている。特許文献４にはキャパシタセルの両極に、ツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなる電圧バランス均等化回路が記載されている。

ここで、電圧バランス均等化回路はキャパシタセル１個に対して１個必要であり、キャパシタセルの電極にこのような回路を接続するためには一般に回路基板が必要である。従来のキャパシタセルは軟質のアルミラミネートフィルムの袋から主として構成されており、回路基板を支持することができない。そこで、回路基板はキャパシタセルの外装ケースなどの構造材に別途固定する必要がある。

キャパシタセルに１個ずつ回路を接続し、その回路基板を外装ケースに固定する作業は繁雑であり、複数のキャパシタセルをモジュール化するための組み立て工数は非常に多い。当然モジュールの品質にバラツキが生じ易く歩留まりも低下する。
特開２００３−６８５９０ 特開２００１−２１７１６５ 特開平６−２６１５４２号公報 特開２００４−２２２４３８ 岡村廸夫「電気二重層キャパシタと蓄電システム」第３版、日刊工業新聞社、２００５年

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、その目的とするところは、積層型電気二重層キャパシタセルの引出電極の引出し口を完全に密閉し、その密閉を長期間にわたって維持すること、及び電圧バランス均等化回路をキャパシタセルに一体化して、複数のキャパシタセルをモジュール化する作業を簡略化することにある。

本発明は、樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された２つの引出電極と該引出電極間に接続された電圧バランス均等化回路を有する電気二重層キャパシタ用引出電極複合体において、該引出電極は上下に接続部を残して該樹脂製支持体に中間部が埋め込まれた構造になっている、電気二重層キャパシタ用引出電極複合体を提供するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の引出電極複合体を用いると、引出電極の引出し口において電気二重層キャパシタの容器を完全に密閉することができるため、長期間にわたって電解液の液漏れが生じない。また、電圧バランス均等化回路がキャパシタセルに一体化されており、複数のキャパシタセルをモジュール化する作業が簡略化される。

図３は本発明の引出電極複合体の一例を示す斜視図である。この引出電極複合体は樹脂製支持体３１と樹脂製支持体に支持された引出電極３２と電圧バランス均等化回路３５を有している。引出電極３２は中間部が樹脂製支持体３１に埋め込まれており、上下の両端部は露出している。露出した端部の一方３３は容器内の電極材積層体に電気的に接続される。

引出電極を樹脂に埋め込むと、樹脂は引出電極の両端の側面まで回り込むことができ、その結果、引出電極の周囲側面は樹脂でくまなく密着される。そのため、引出電極の両端の側面においてもセルの密閉が、完全に行われる。引出電極の両端の側面の密閉を長期間完全に行うことは、引出電極を、両主側面からラミネートした構造の、従来の電極引出口では非常に困難であった。

樹脂製支持体は、絶縁性及び化学的安定性に優れた樹脂、好ましくは硬質プラスチックで構成される。樹脂製支持体が硬質であると、セルの電極引出口が変形し難くなり、応力に対抗できるため、密閉性がより向上する。

より好ましくは、樹脂製支持体は結晶性に優れた熱可塑性樹脂で構成される。結晶性に優れた樹脂は有機電解液に対する耐久性に優れ、また熱可塑性樹脂は引出電極を埋め込み易いからである。かかる樹脂の例には、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイドなどがある。樹脂製支持体をアルミラミネートフィルムの内側フィルムと同じ材料で構成すると、容器との密着性が向上するため、特に好ましい。また、密着性とプロセス中の耐熱性を両立させるために樹脂をアロイ化してもよい。

支持体は上面及び側面としてある程度面積を有する形状、例えばブロック形ないし角柱形にするのがよい。複合体全体として強度を保ち易く、引出電極との密着性も向上するからである。支持体の寸法は、例えば、幅２〜１５ｍｍ、長さ５０〜１５０ｍｍ、高さ５〜２０ｍｍの間で適宜決定される。支持体の一部に貫通穴３４を設けて、その貫通穴にガス抜き弁を設置してもよい。そうすると、容器に直接通気孔を設けたりガス抜き弁を取り付ける手間を省くことができる。

引出電極３２は導電性の板、典型的には高純度アルミニウム板である。引出電極の寸法は特に限定されないが、例えば、縦１５〜１００ｍｍ、横５〜５０ｍｍ、厚さ０．１〜１ｍｍの間で適宜決定される。

引出電極複合体はインサート成形法により形成することが好ましい。インサート成形法とは、金型内にインサート品（この場合は引出電極）を装填した後、樹脂を注入してインサート品を溶融樹脂で包んで固化させ、一体化した複合部品を作る方法をいう。引出電極を溶融樹脂で包むことにより、電極表面と樹脂との密着性が向上し、より完全な長寿命の密閉が可能になる。

インサート成形を行う前に、引出電極の表面に易接着処理を施してもよい。易接着処理は、樹脂に対する引出電極表面の接着性を向上させる処理をいう。

図３の実施態様では、電圧バランス均等化回路３５は樹脂製支持体３１に埋め込まれている。電圧バランス均等化回路３５の一例はツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなるものであり、ツェナーダイオードのカソードは正極の引出電極に、抵抗は負極の引出電極に接続される。ツェナーダイオードの設定電圧は電気二重層キャパシタの定格電圧よりも低い電圧値とする。

但し、電圧バランス均等化回路３５はこの例に限定されず、例えば非特許文献１や特許文献３に記載されている充電制限回路を用いてよい。

図４はこのような引出電極複合体の製造方法の一例を説明する図である。図４中符号の意味は図３と同様である。まず、適当な電圧バランス均等化回路３５又はその基板を引出電極３２に接続して電極モジュールを形成する（図４（ａ））。両者の接続は、例えば、カシメ、ネジ締結、抵抗溶接法などにより行なえばよい。電圧バランス均等化回路３５が樹脂の溶融温度に対して十分な耐熱性を有している場合は、この電極モジュールの周囲に溶融樹脂を注入して、樹脂製支持体３１のインサート成形を行なう（図３）。

電圧バランス均等化回路３５が耐熱性に劣る場合は、まず、電圧バランス均等化回路３５を熱硬化性樹脂の層３６で被覆し、加熱して硬化させる（図４（ｂ））。その後、この電極モジュールの周囲に溶融樹脂を注入して、樹脂製支持体３１のインサート成形を行なう（図４（ｃ））。この際、熱硬化樹脂の層を完全に封じ込めてしまわず、一部を溶融樹脂の外部に露出させてもよい。これにより、高温の樹脂注入時に発生するガスを逃がして、安定な成型加工が可能となる。

熱硬化性樹脂としては、硬化温度が、電圧バランス均等化回路３５の耐熱温度以下、例えば、１８０℃以下のもの、例えば、電子回路封止用のエポキシ樹脂などを用いる。電圧バランス均等化回路３５を熱硬化性樹脂の層３６で予め被覆しておくと、熱硬化性樹脂の層３６が溶融樹脂の熱から電圧バランス均等化回路３５を保護し、電圧バランス均等化回路３５の熱による劣化が防止される。

図５はこのような引出電極複合体の製造方法の他の例を説明する図である。図５中符号の意味は図３と同様である。この方法では、まず、上記と同様にして電極モジュールを形成する（図５（ａ））。この電極モジュールを用いて、電圧バランス均等化回路３５の部分に溶融樹脂が接触しないように樹脂を注入してインサート成形を行う（図５（ｂ））。その後、必要に応じて、電圧バランス均等化回路３５を熱硬化性樹脂の層３６で被覆し、硬化させて封止する（図５（ｃ））。熱硬化性樹脂としては、硬化温度が、電圧バランス均等化回路３５の耐熱温度以下、例えば、１８０℃以下のもの、例えば、電子回路封止用のエポキシ樹脂などを用いる。

得られた引出電極複合体を用い、容器であるアルミラミネートフィルムの内側面を樹脂製支持体の周囲に接着すること以外は従来の方法に従って、積層型電気二重層キャパシタセルを組み立てることができる。

例えば、まず、電極材積層体を調製する。図６は電極材積層体の構成の一例を示す斜視図である。尚、図６には正電極と負電極とが一対示されているが、電極の数は必要に応じて増加してもよい。電極材積層体２には本体部１２とリード部１３がある。

次いで、引出電極複合体の引出電極を電極材積層体のリード部１３と接合する。接合は、良好な電導性に確保しつつ、リード部１３に損傷を与えないよう、超音波溶接・スポット溶接などの方法により行う。

電極材積層体２の本体部１２は、電解液に浸して容器に収納する。容器は、樹脂フィルムの間に金属の中間層（アルミ層）を持つアルミラミネートフィルム（例えば、内側からポリプロピレン層、アルミ層、ポリエチレンテレフタレート層で構成される）で形成したものを用いる。収納の際、引出電極は容器の開口部から外部に突出させておく。そして、清浄、乾燥雰囲気において、容器を密封する。密封の際、容器であるアルミラミネートフィルムの内側面を樹脂製支持体の周囲側面に接触させて、樹脂製支持体とアルミラミネートフィルムの内側樹脂層とを溶着させる。溶着は加熱及び加圧して行なえばよい。図７は本発明の電気二重層キャパシタセルの一例を示す斜視図である。

得られたキャパシタセルは、引出電極が硬質の樹脂製支持体に固定されているために、電極の膨張収縮や取扱いなどによりセルに力が加わったとしても、引出電極の周囲側面と樹脂製支持体との間に隙間などが形成されることがない。このため、長期間にわたって電解液の液漏れを防止でき、電気二重層キャパシタの耐久性、信頼性が向上する。
また、樹脂製支持体の上面は複数のセルを並べてモジュール化する際に、位置を決定するための基準面として利用するのに便利である。
更に、電圧バランス均等化回路がキャパシタセルに一体化されており、複数のキャパシタセルをモジュール化する組み立て工数が少なくてすむ。

積層型電気二重層キャパシタのセル構造の一例を示す断面図である。 キャパシタセルの引出電極の引出し口を上から見た一部平面図である。 本発明の引出電極複合体の一例を示す斜視図である。 本発明の引出電極複合体の製造方法の一例を説明する図である。 本発明の引出電極複合体の製造方法の一例を説明する図である。 電極材積層体の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の電気二重層キャパシタセルの一例を示す斜視図である。

符号の説明

３１…樹脂製支持体、
３２…引出電極、
３３…露出した端部
３４…貫通穴、
３５…電圧バランス均等化回路。

本発明は、樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された２つの引出電極と該引出電極間に接続された電圧バランス均等化回路を有する電気二重層キャパシタ用引出電極複合体において、
該引出電極は上下に接続部を残して該樹脂製支持体に中間部が埋め込まれた構造になっており、
該電圧バランス均等化回路は、硬化温度が電圧バランス均等化回路の耐熱温度以下の熱硬化性樹脂の層で被覆されて、該樹脂製支持体に埋め込まれており、
該樹脂製支持体が硬質プラスチックからなり、該引出電極が金属製板からなり、
該樹脂製支持体がインサート成形法により形成されたものである、電気二重層キャパシタ用引出電極複合体を提供するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、アルミラミネートフィルムからなる容器と、
該容器内に保持された電解液及び電極材積層体と、
該電極材積層体から容器外へ引き出された引出電極と、
該引出し電極の引出口に備えられた、樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された２つの引出電極と該引出電極間に接続された電圧バランス均等化回路を有する電気二重層キャパシタセルであって、
該樹脂製支持体は、上面及び側面を有する角柱形であり、
両端部が屋根型になるようにテーパー付されており、
該引出電極は上下に接続部を残して該樹脂製支持体に中間部が埋め込まれた構造になっており、
該電圧バランス均等化回路は、硬化温度が電圧バランス均等化回路の耐熱温度以下の熱硬化性樹脂の層で被覆されて、該樹脂製支持体に埋め込まれており、
該樹脂製支持体が硬質プラスチックからなり、該引出電極が金属製板からなり、
該樹脂製支持体がインサート成形法により形成されたものであり、
また、樹脂製支持体の上面に、引出電極以外の突出物を有さず、
該アルミラミネートフィルムは樹脂製支持体の周囲側面に接着されている、
電気二重層キャパシタセルを提供するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

Claims (7)

1. 樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された２つの引出電極と該引出電極間に接続された電圧バランス均等化回路を有する電気二重層キャパシタ用引出電極複合体において、
   該引出電極は上下に接続部を残して該樹脂製支持体に中間部が埋め込まれた構造になっている、電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
2. 前記電圧バランス均等化回路は前記樹脂製支持体に埋め込まれている請求項１記載の電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
3. 前記樹脂製支持体が硬質プラスチックからなり、前記引出電極が金属製板からなる請求項１又は２記載の電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
4. 前記電圧バランス均等化回路がツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなるもの、又はその等価回路である請求項１〜３のいずれか記載の電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
5. インサート成形法により形成されたものである請求項１〜４のいずれか記載の電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
6. 前記樹脂製支持体に支持されたガス抜き弁を更に有する、請求項１〜５のいずれか記載の電気二重層キャパシタ用引出電極複合体。
7. アルミラミネートフィルムからなる容器と、該容器内に保持された電解液及び電極材積層体と、該電極材積層体から容器外へ引き出された引出電極とを有し、
   該引出し電極の引出口は、樹脂製支持体と該樹脂製支持体に支持された引出電極とを有する引出電極複合体を備え、
   該引出電極複合体は請求項１〜６のいずれか記載のものであり、
   該アルミラミネートフィルムは樹脂製支持体の周囲側面に接着されている、電気二重層キャパシタ。

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