JP2008071777A

JP2008071777A - 電気二重層キャパシタ製造時の電解液注入方法

Info

Publication number: JP2008071777A
Application number: JP2006246226A
Authority: JP
Inventors: Ron Horikoshi; 論堀越
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】キャパシタユニット内に低沸点溶媒を混合させた電解液で真空注入を行う際、圧力制御しながら減圧を行うことで、低沸点溶媒の揮発を防いで、抵抗の低いキャパシタを容易に得ることができるようにした。
【解決手段】バルブ２６を閉じ、バルブ２７を開にして真空ポンプ２８を動作させ真空チャンバー２１内を５０ｈＰａとなるように減圧する。この減圧を行った後、バルブ２７を閉じ、バルブ２６を開けて不活性ガス、もしくは乾燥エアーを真空チャンバー２１内に導入し、真空チャンバー２１内を大気圧に戻す。真空チャンバー２１内の圧力が上昇すると電解液タンク２３内の電解液は、キャパシタユニット２２に吸引されて行き、予め設定した規定量の電解液が吸引されるまで放置する。その後、電解液の吸引が停止したならば、上記動作を再び行って、真空チャンバー２１の減圧−リークの動作を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、バイポーラ型電気二重層キャパシタの製造工程時における低沸点溶媒の電解液注入方法に関するものである。

電気二重層キャパシタ（以下キャパシタと称す）は、分極性電極に電解質中のアニオン、カチオンを正極、負極表面に物理吸着させて電気を蓄えることを原理としている。現在のキャパシタは、平板状の活性炭電極、集電極を用意し、イオンが通過可能なセパレータを挟んだ「積層型」である。活性炭電極、集電極の外周部には、内部の電解質が漏れ出さないように、シールを行うためのパッキンを挟んでいる。このパッキンは、同時に積層間での絶縁も兼ねている。キャパシタの組立製造を行う際には、必要な耐電圧分のセルをパッキンと交互に積み重ね(単セル耐電圧２．５Ｖ程度）、最後にエンドプレートで締め付けることにより密閉構造を保持している。

積層型キャパシタユニットは、金属電極端面の集電極にリード線を取り付ければユニット内で直列接続となり、（単セル耐電圧）×（積層数）だけの耐電圧を持つことになる。この積層型キャパシタユニットは、一般的な巻き取り方式を用いた同一容量のキャパシタと比較してケーブルなどを必要とせず、コンパクトに耐電圧が高く設計できるため、設置面積を小さくすることができる利点がある。

現在のキャパシタの製造では、活性炭電極、セパレータ、集電極、パッキン等を交互に積み重ね各セル間でシールをとった後に、ユニット内に電解液を注入（導入）し、活性炭電極、セパレータに電解質を含浸させている。電解液注入の際には、キャパシタユニットの一ヶ所に電解液注入口を設け、この一ヶ所から各セルを仕切る分極基材の穴を介して全てのセルに電解質が行き渡るようにしている。
特開２００５−３２７７８５号公報特開２００５−３２７７７５号公報特開２００５−３１７９０２号公報

現在キャパシタに使用している電解液は、溶媒に環状カーボネートであるプロピレンカーボーネート（ＰＣ）を用いている。プロピレンカーボーネートは、有機溶媒系キャパシタ用溶媒としては極めて一般的で幅広く用いられている。

キャパシタの内部抵抗を低減する場合、その１つの手段として電解液の粘度を低減させ、電気伝導度を向上させることが考えられる。具体的にはプロピレンカーボネート電解液溶媒中に粘度の極めて低いジエチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状カーボネートをある割合で混合させる。混合比によっては、キャパシタの内部抵抗は１０〜３０％程度低減させることが可能である。

但し、鎖状カーボネートは、一般的に沸点が低く、大気圧下でプロピレンカーボネートの沸点が２００℃以上であるのに対してジエチルカーボネートでは９０℃、エチルメチルでは１００℃程度である。このため、常温（２０℃）で減圧を行うと前記ＤＭＣ，ＥＭＣはある圧力下で沸騰が起こり揮発してしまう問題がある。

このため、現在のバイポーラ型電気二重層キャパシタへの電解液注入は、真空デシケータを用いた装置で行っており、電解液注入前には、電解液を減圧状態にしておく必要がある。次に、電解液注入方法を説明する。

図５は、従来のバイポーラ型電気二重層キャパシタへの電解液注入方法を示す工程説明図で、真空チャンバー１１内にキャパシタユニット１２を配置し、バルブ２、３、５を開け、真空チャンバー１１とキャパシタユニット１２を真空ポンプ１３により減圧する。このとき、キャパシタ内の吸着気体が完全に抜けるように、１Ｔｏｒｒ以下で約１５分減圧し、その後、バルブ２、３、５を閉じる。

次に、バルブ１、６を開け、定流量ポンプ１４により電解液を、注入タンク１５を介してキャパシタユニット１２内に注入する。ユニット１２内の圧力と、真空チャンバー１１内の圧力との差圧が、２０ｋＰａ以上になったなら定流量ポンプ１４の運転を一時停止する。その後、バルブ４、５を開けて、真空チャンバー１１内に不活性ガスタンク１６からガスを導入して前記差圧を打ち消す。

差圧が打ち消されたなら、再び、バルブ１，６を開け、定流量ポンプ１４で電解液をキャパシタユニット１２内に注入し、キャパシタユニット１２内の圧力が大気圧になり、電極細孔の気体層が電解液で埋まるまで繰り返す。なお、１７〜１９は圧力計である。

上記のようにして電解液を注入する工程は、複雑であり、かつ煩雑な動作を複数回繰り返す必要がある。このような電解液注入方法を用いた理由としては、パッキンによるセル間の耐圧が５０ｋＰａ程度しかないことが原因の１つとしてあげられる。キャパシタユニット１２内と真空チャンバー１１内の圧力差が開くと、パッキン間から電解液漏れを生じ全く電解液が入らないセルが生じ、場合によっては、急激な圧力変化でユニット自体が破損することもあり得る。

このような電解液注入工程の問題点として装置を自動化すると、装置自体が複雑となり、制御も非常に複雑となる。このため、設備には、多額なコストがかかり、量産時の障害となる。また、上記のままの工程で減圧を行うと、電解液溶媒中の低沸点溶媒は沸騰し、ほとんど揮発してしまい電解液の効果が消失してしまう問題も生じる。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電気二重層キャパシタ製造時、キャパシタユニット内に低沸点溶媒を混合させた電解液で真空注入を行う際、圧力制御しながら減圧を行うか、又は電解液の温度を０℃以下に保ちながら行うことで、低沸点溶媒の揮発を防いで、抵抗の低いキャパシタを容易に得ることができるようにした電気二重層キャパシタ製造時の電解液注入方法を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、真空チャンバー内に、電気二重層キャパシタユニットと低沸点溶媒を混合した電解液が収容された電解液タンクを配置し、前記キャパシタユニットに前記電解液タンクの電解液を注入する際に、前記真空チャンバー内を圧力制御しながら減圧し、予め定めた圧力になった後、前記真空チャンバー内を圧力変化が起きないように大気圧に戻しながら前記電解液を前記キャパシタユニットに注入し、再び減圧−リーク動作を繰り返して前記電解液を前記キャパシタユニットに注入することを特徴とするものである。

第２発明は、真空チャンバー内に、電気二重層キャパシタユニットと低沸点溶媒を混合した電解液が収容された電解液タンクを配置し、前記キャパシタユニットに前記電解液タンクの電解液を注入する際に、前記電解液の温度を０℃以下として前記キャパシタユニットに前記電解液を注入することを特徴とするものである。

以上述べたように、この発明によれば、電気二重層キャパシタの電解液注入工程で、キャパシタユニット内に低沸点溶媒が混合された電解液を注入する際、圧力制御しながら減圧を行うことによって、低沸点溶媒の揮発を防いで、抵抗の低いキャパシタを得ることができる。

また、この発明によれば、電気二重層キャパシタの電解液注入工程で、キャパシタユニット内に低沸点溶媒が混合された電解液を注入する際、電解液の温度を０℃以下として、低沸点溶媒の揮発を防いで、抵抗の低いキャパシタを得ることもできる。

以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の第１形態］
実施の第1形態はプロピレンカーボネートＰＣ溶媒にジエチルカーボネートＤＭＣ、エチルメチルカーボネートＥＭＣ等の低沸点溶媒を混合させた場合における現状設備での有効な電解液注入方法を以下に述べる。

図１〜図４は、実施の第1形態を述べるための電解液注入工程説明図である。図１〜図４において、２１は真空チャンバー（真空デシケータ）で、この真空チャンバー２１内には、電解液注入対象のキャパシタユニット２２と電解液タンク２３を収納し、キャパシタユニット２２の電解液注入口２２ａと電解液タンク２３に配設された配管２３ａとを電解液導入チューブ２４で連結する。なお、２５はエア抜き配管、このエア抜き配管２５は電解液タンク２３の電解液面まで達しない長さに設定され、配管２３ａは電解液タンク２３の底面まで達するような長さに設定される。２３ｂは電解液である。

真空チャンバー２１には、バルブ２６が設けられ、このバルブ２６を介して外気が導入される。また、真空チャンバー２１には、バルブ２７と真空ポンプ２８等からなる真空制御装置が設けられ、真空ポンプ２８により真空チャンバー２１内は減圧される。なお、真空チャンバー２１については、その内部の状態が確認できるような覗き窓を設ける事が望ましい。

次にキャパシタユニット２２への電解液の注入手順を図２〜図４により述べる。図２において、バルブ２６を閉じ、バルブ２７を開にして真空ポンプ２８を動作させ真空チャンバー２１内を減圧する。このとき真空チャンバー21内の圧力が５０ｈＰａとなるように真空ポンプ２８を制御する。

真空ポンプ２８による減圧を開始すると、キャパシタユニット２２の気体が抜け、電解液中に気泡となって抜けて行く様子が図示しない覗き窓から確認できる。また、このとき、電解液中に溶けている二酸化炭素等のガスも減圧することで除去することができるようになる。上記減圧を約２０分程度継続し、前記気泡が出なくなるのを確認する。

上記のように減圧を行った後、図３に示すようにバルブ２７を閉じ、バルブ２６を開けて不活性ガス、もしくは乾燥エアーを真空チャンバー２１内に導入する。このとき、急激に真空チャンバー２１内の圧力変化が生じないようにバルブ２６の開度を、もしくは図示しない制御装置で調節して、約５分程度で真空チャンバー２１内を大気圧に戻すように設定する。真空チャンバー２１内の圧力が上昇すると電解液タンク２３内の電解液は、エア抜き配管２５を介して図示矢印方向からの圧力を受けるようになり、その圧力で電解液が押圧されて電解液がキャパシタユニット２２に吸引されて行く。

そして、図４に示すように、キャパシタユニット２２内が電解液で満たされるまで、電解液の吸引は徐々に行われ、予め設定した規定量の電解液が吸引されるまで、約１０分程度放置する。その後、電解液の吸引が停止したならば、図２の動作を再び行って、真空チャンバー２１の減圧−リークの動作を行う。

上記のように２度の動作を行うことで完全に真空に減圧しなくとも溶媒を沸騰させることなく、バイポーラセル間へはほぼ均等に電解液を注入させることが可能となる。
［実施の第2形態］
実施の第2形態は、ＰＣ溶媒にＤＭＣ，ＥＭＣ等の低沸点溶媒を混合させた場合の第1形態とは別の有効な電解液注入方法である。この第２形態では、予め電解液をマイナス１０℃（−１０℃）以下に冷却しておく。これにより、低沸点溶媒も、０℃以下では１ｈＰａ以下に減圧しても沸騰することが無くなり、特に真空制御を行わなくとも溶媒の揮発が防げる。従って、電解液を冷却した状態で、従来通りの方法で電解液の注入を実施することで低沸点溶媒の揮発を防ぐことが可能となる。

この発明の実施の第1形態を述べるための工程説明図。実施の第1形態を述べるための工程説明図。実施の第1形態を述べるための工程説明図。実施の第1形態を述べるための工程説明図。従来のバイポーラ型電気二重層キャパシタへの電解液注入方法を示す工程説明図。

符号の説明

２１…真空チャンバー
２２…キャパシタユニット
２３…電解液タンク
２４…電解液導入チューブ
２５…エア抜き配管
２６、２７…バルブ
２８…真空ポンプ

Claims

真空チャンバー内に、電気二重層キャパシタユニットと低沸点溶媒を混合した電解液が収容された電解液タンクを配置し、前記キャパシタユニットに前記電解液タンクの電解液を注入する際に、前記真空チャンバー内を圧力制御しながら減圧し、予め定めた圧力になった後、前記真空チャンバー内を圧力変化が起きないように大気圧に戻しながら前記電解液を前記キャパシタユニットに注入し、再び減圧−リーク動作を繰り返して前記電解液を前記キャパシタユニットに注入することを特徴とする電気二重層キャパシタ製造時の電解液注入方法。
真空チャンバー内に、電気二重層キャパシタユニットと低沸点溶媒を混合した電解液が収容された電解液タンクを配置し、前記キャパシタユニットに前記電解液タンクの電解液を注入する際に、前記電解液の温度を０℃以下として前記キャパシタユニットに前記電解液を注入することを特徴とする電気二重層キャパシタ製造時の電解液注入方法。