JP2008071943A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】グローブボックス中の作業でも小型の電気二重層キャパシタにおける引き出しリードの途中での折り曲げを容易にし、また、引き出しリードの途中での折り曲げ中または後、引き出しリード同士が接触してショートしないようにする。
【解決手段】 電気二重層キャパシタの素子と封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁版には、引き出しリードを貫通させる貫通部と、引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設ける電気二重層キャパシタを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関するものである。

正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子をケースに収納し、外部端子付きの封口板により封口するコンデンサにおいて、特に、直径が１０から４０ｍｍ程度の小さな電気二重層キャパシタにおいて、コンデンサと同様に、一般に封口板は、コスト等の点から、金型のいらないゴム張り積層板が使用されていて、外部端子は、封口板を貫通したリベットと封口板の外側で接続されている（以下、ラグ端子という）。また、直径が４０ｍｍ程度以上の大きさの電気二重層キャパシタにおいて、コンデンサと同様に、封口板が金型から作られるモールド樹脂で、外部端子は、ネジ端子のものが一般に使用されている。
ところで、パソコンや携帯電話などの民生用電池では問題が無いが、振動の大きい自動車用では、素子がケース内で移動し、箔などが切れるなどの、素子の破損の可能性が大きくなるという問題があるため、素子の固定方法がいろいろ検討されている。
たとえばコンデンサの分野では、封口板がモールド樹脂の場合、封口板のケース側にリブと呼ばれる突状体を設け、素子上面を押さえつけて耐震性を持たせている（特許文献１）。
別分野の電池においても耐震性が検討されていて、素子の上面に取り付けるケース内径と同等の大きさの絶縁板と、その中央に中芯を設け、素子の捲き芯の中空部分に、その中芯を差込む構造が提案されている（特許文献２）。

特開平３−６８１２５号公報 特開２００３−３１７８０５号公報

電気二重層キャパシタでは、コンデンサと同様に、電池よりも単位時間あたりに流れる電流が大きいので、電気二重層キャパシタ内の集電体により集められた電荷の、集電体からの取り込みまたは取り出しをスムーズに行うために、引き出しリードの断面積を大きくする必要がある。素子の巻き取り効率の点から厚くできない場合、引き出しリードの幅を広げるか、または複数の引き出しリードを設ける必要がある。
このかさ高い引き出しリードを折り曲げ、狭いケース内に収容し封口する作業は、コンデンサとは異なり、ケース内部の材料は湿気を嫌うため、封口はグローブボックスなどの水分管理雰囲気中で行われる。例えばグローブボックス中での作業は、加圧中でしかもゴム手袋の作業のため、特に小形の電気二重層キャパシタにおける引き出しリードの途中での折り曲げは困難なものとなる。
本発明が解決しようとする課題は、この点の改善である。
また、引き出しリードの途中での折り曲げ中または後、引き出しリード同士が接触してショートしないようにする点である。

本発明は、正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、その貫通部の上方に、前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設けることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、本発明は、正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、前記引き出しリードを仕切る仕切り突状体とを有し、その仕切り突状体の側面には前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設けることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、前記引き出しリードを仕切る仕切り突状体とを有し、その仕切り突状体の側面には前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設け、そのガイドの先端は前記絶縁板方向に曲がっているかまたは曲がって前記絶縁板と一体化していることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、前記絶縁板が、前記素子と前記封口板に接触していることを特徴とする上記電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、前記絶縁板周辺側と、前記封口板周辺側との間に、ケース側面周辺に横絞り溝を設けるとともに、その横絞り溝が前記絶縁板と、前記封口板に接触していることを特徴とする上記電気二重層キャパシタを提供するものである。
また、前記絶縁板は、前記素子の捲き芯の中空に挿入する挿入突起部を備えることを特徴とする上記電気二重層キャパシタを提供するものである。

引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドを設けるので、グローブボックス中の作業でも引き出しリードの途中での折り曲げが容易となる。
また、引き出しリードを仕切る仕切り突状体を設けることにより、引き出しリード同士が接触してショートしない。
ガイドの先端は絶縁板方向に曲がっているかまたは曲がって絶縁板と一体化することにより、引き出しリードがケースと接触しないので絶縁不良をおこしにくい。
また、絶縁板が、素子と前記封口板に接触することにより素子の耐震性が向上する。
また、ケース側面周辺に横絞り溝を設けるとともに、その横絞り溝が絶縁板に接触することにより、絶縁板と素子上面が水平な面で接触するので素子の耐震性が向上する。
また、絶縁板に、素子の捲き芯の中空に挿入する挿入突起部を備えることにより、素子の耐震性がより向上する。
本発明の円筒型電気二重層コンデンサの製造方法は、帯状の正極および負極を、セパレータを介して捲回した素子を作製し、その素子を円筒型有底状の金属製外装缶に収納し、好ましくは弾性体形状に加工されリード取り出し用貫通部を備えた上部絶縁板を前記素子の端面上に配置し、前記貫通部にリードを通す工程を少なくとも含むとしたものであり、弾性体形状に加工されているため上部絶縁板を外装缶に挿入し易く、上部絶縁板にリード成形用ガイドを取り付けることにより、リードが外装缶内で移動しなくなるという利点を持つ。

本発明に述べる正極は、正極炭素材、結着材および導電助剤を溶媒に溶解した合材を正極集電体に塗布または成型し乾燥したものである。正極の炭素材料は、リチウムイオンを吸着、脱着しうる正極炭素材で活性炭を主体とする炭素材料である。正極集電体は主にアルミニウム等の金属材料からなり、集電体の厚さは、特に限定しないが、１０〜１００μｍ程度が好ましい。
本発明に述べる負極は、負極炭素材、結着材および導電助剤を溶媒に溶解した合材を負極集電体に塗布または成型し乾燥したものである。負極の炭素材料は、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料である。負極炭素材には、リチウムイオンを吸蔵、離脱しうる負極炭素材である黒鉛、非晶質系炭素を用いるが、これに限定されるものではない。負極集電体は、銅が好ましいが、これに限定されるものではない。集電体の厚さは、特に限定しないが、１０〜１００μｍ程度が好ましい。
本発明に述べるセパレータは、微多孔ポリエチレンフィルム、紙などからなる通常のセパレータで、厚さが１〜２００μｍ程度である。
本発明に述べる引き出しリードは、正極集電体または負極集電体から引き出され、封口板のラグ端子に接続されるものである。正極引き出しリードは、形状が短冊状で集電体と同種のアルミニウム金属からなり、幅が１〜１０ｍｍ程度、厚さが２０〜９０μｍ程度である。
負極引き出しリードは、形状が短冊状で材質がニッケル、銅、ステンレスであり、厚さが２０〜９０μｍ程度である。
本発明に述べるラグ端子は、封口板を貫通したリベットと封口板の外側で接続される外部用端子からなる外部端子である。
本発明に述べる封口板は、ベークライトなどの基板にゴム膜を表面に積層してなる硬質封口板である。
本発明に述べる絶縁板とは、ゴムまたは樹脂などの成形体からなり、好ましくは若干でも弾性力の有る絶縁物からなる。
本発明に述べるガイドとは、絶縁板に設けた、引き出しリードの途中での折り曲げを補助するものである。
本発明に述べる貫通部は、絶縁板に設けた穴または切れ込みからなり、引き出しリードを貫通させるもので、単に通すものでもかまわないが、絶縁板上部と下部で形状が異なっており、下部では素子から引き出されたリードに合わせており、絶縁板内部でねじれ、絶縁板上部では正・負極リードが平行になるように成形されているのが好ましい。正負の引き出しリードの数にあわせて複数個設けてもかまわない。
本発明に述べる仕切り突状部とは、絶縁板上面に設けた引き出しリードをショートしないように仕切る突状のものである。ほぼ垂直壁を有する柱状体で、断面が長方形のほかＹ字形などからなる。
本発明に述べる挿入突起部とは、絶縁板下面中央に設け、素子捲き芯の空隙に差込、素子を固定させるものである。
本発明に述べる横絞り溝とは、ケース上部側面に設けたケース底面に平行な絞り溝で、封口板を下から接触して、ケース先端の曲げ加工（カーリング加工）とともに封口する目的のほか、絶縁板を上から接触して、ケース内底面と絶縁板とで素子に接触して固定する目的をもつ。

以下、本発明の円筒型電気二重層コンデンサについて、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の、封口前の電気二重層コンデンサの断面図を示している。捲回型の素子１を有底円筒状の金属ケース２内に収納し、素子１から引き出された引き出しリード３が、絶縁板４の貫通部５を通り、絶縁板４のガイド６により曲げられ、封口板９のラグ端子１０に接続されている状態を示している。
図２は、本発明の、封口後の電気二重層コンデンサの断面図を示している。図２は、図１を９０度回転した図になっている。絶縁板４の挿入突起部１２が素子捲き芯部１３に挿入され、絶縁板４が素子上部に密着し、素子４から引き出した引き出しリード３が、絶縁板４の貫通部５を通り、ガイド６によって折り曲げられ、封口板のラグ端子１０に接続され、かしめにより封口された状態を示している。

素子１は、図示しないアルミニウム箔などの集電体に活性炭およびカーボンブラックなどを主体とする電極材料を塗布した正極と、図示しない銅箔などの集電体に難黒鉛性炭素粉末およびカーボンブラックなどを主体とする電極材料を塗布した負極とをセパレータ紙を介して捲回してなり、所定の電解液が含浸された状態で金属ケース２内に収納される。なお、上記各集電体からは例えばアルミニウム材やニッケル材からなる引き出しリード３が引き出されている。

金属ケース２は、通常この分野でよく用いられるアルミニウム材であってよく、その開口部は封口板９によって封口される。なお、ケース内面が絶縁物で被覆されていてもかまわない。この例において、封口板９には、ベークライトなどの基板８にゴム膜７を積層してなる硬質封口材が用いられている。

封口板９は、一対のラグ端子（外部引出端子）１０を備え、所定の工程で引き出しリード３とラグ端子１０とが接続される。なお、金属ケース２に対する封口板９の固着方法は常法にしたがってよい。すなわち、封口板９を金属ケース２に形成されている横絞り溝１４に仮留めして配置したのち、開口部の端縁をかしめればよい。

本発明において、引き出しリード３の折り曲げをスムーズに行い、かつ折り曲げ中、または後でリード３同士が接触しないようにするため、金属ケース２内にはコンデンサ素子１上部に絶縁板４が配置される。この絶縁板４には、ガイド６と引き出しリード３を通すための貫通部５とが含まれている。また、仕切り突状部１１、および挿入突起部１２も必要に応じて追加される。
ガイド６は、封口板９の貫通部５の上方に、仕切り突状部１１側面から垂直の方向に導出した図になっている。
横絞り溝１４は、封口板周辺を下から接触し、絶縁板周辺を上から接触するひとつのもののほか、別々にふたつ設けてもかまわない。

次に、本発明の絶縁板４を、図３により説明する。図３（ａ）は平面図を、図３（ｂ）は下面図を、図３（ｃ）は正面図を、図３（ｄ）は側面図を示している。この絶縁板４には、引き出しリード３をスムーズに折り曲げるためのガイド６と、素子１から引き出したリード３を通すための貫通部５とが含まれている。また、引き出しリード３同士の接触によるショートを防ぐ仕切り突状部１１と、素子捲き芯部に挿入するための挿入突起部１２も追加されている。

この例において、絶縁板４は、ゴム、樹脂などの好ましくは若干でも弾性力の有る絶縁物からなる。セラミックスのように脆い材質のものは不適である。絶縁板４に加工された弾性体形状にはいろいろなものがあるが、金属ケース２に密着する部分の内側に穴を開けるか、切れ込みを入れることにより、上部絶縁板の弾性力を増すような形状に加工される。貫通部５は絶縁板上部と下部で形状が異なっており、下部では素子１から引き出された引き出しリード３に合わせており、絶縁板４内部でねじれ、絶縁板４上部では正・負極引き出しリード３が平行になるように成形されている。

ガイド６は、図３において、絶縁板４に平行にまっすぐな板状で示しているが、ガイドの先端は絶縁板方向に曲がっているかまたは曲がって絶縁板と一体化していてもよく、この場合特に、引き出しリードがケースと接触しないので絶縁不良をおこしにくい。

組み立て手順としては、最初に、素子１から引き出されたリード３を絶縁板４下部の貫通部５に挿入し、絶縁板４上部に引き出す。正・負極の引き出しリード３がそれぞれ複数ある場合は、たとえば引き出しリード３の数だけ貫通部５を設け、各貫通部５に１本の引き出しリードを通す。
次に、引き出しリード３を引き出しながら絶縁板４下部の挿入突起部１２を素子巻き芯部１３に差し込み、絶縁板４と素子１が接触するまで力を加えながら挿入する。
次に、引き出しリード３をガイド６の下側から絶縁板４外周部に引き出し、引き出しリード３端部を封口板内部端子１０に超音波溶接する。
次に、引き出しリード３をガイド６に沿って折り曲げ、素子１と封口板９を金属ケース２に挿入する。ガイド６により、引き出しリード３を最適な形状に、かつスムーズに折り曲げることができる。このとき絶縁板４最外周部が金属ケース２内壁と密着しており、絶縁板４が横絞り溝１４に接触するまで押し込む。これと、絶縁板４下部の挿入突起部１２により、外部から衝撃や振動を受けたとしても素子１が固定状態に保持される。また、絶縁板４上部に仕切り突状部１１があるため、正・負極引き出しリード３が接触することはなく、引き出しリード３同士の接触によるショートを防ぐことができる。

図４は、本発明のガイド６の別例を示している。
ガイド６は、板状で、絶縁板４から垂直の方向に導出し、封口板９の貫通部５の上方において、曲げた形となっている。引き出しリードは、絶縁板４の下から挿入されるので、貫通部５の上方において、絶縁板４と平行まで曲げずに若干上向き角度のほうが、引き出しリードは、ガイド６にそって曲がりやすい。

図５は、本発明のガイド６の別例を示している。
ガイド６は、３方向をふさぎ、封口板９の貫通部５部の底面と、左側面が解放した立体形状で、引き出しリードは、絶縁板４の貫通部５の下から挿入され、ガイド６の左側面からでてくる。ガイド６の上内面つまり貫通部５の上方面において、絶縁板４と平行まで曲げずに若干上向き角度のほうが、引き出しリードは、ガイド６にそって曲がりやすい。

表面を電気化学的にエッチング処理した厚さ３０μｍのアルミニウム箔の両面に活性炭粉末、カーボンブラックおよびＰＶＤＦを混練し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを用いて分散溶解させて得られた分極性電極材料をロールコータで塗布した後に圧延し、温度１５０℃で乾燥して厚さ１００μｍの分極性電極を形成した。次に、アルミニウム箔の露出面にアルミニウムの引き出しリードを超音波溶接によって固着し、これを正極とした。
次に厚さ３０μｍの銅箔の両面に難黒鉛性炭素粉末、カーボンブラックおよびＰＶＤＦを混練し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを用いて分散溶解させて得られた分極性電極材料をロールコータで塗布した後に圧延し、温度１５０℃で乾燥して厚さ１００μｍの分極性電極を形成した。次に、銅箔の露出面にニッケルの引き出しリードを超音波溶接によって固着し、これを負極とした。
上記正極、負極を対向させて配置し、分極性電極間に厚さ７０μｍの紙製セパレータを介在させて巻回し、コンデンサ素子とした。
次に、これをアルゴン雰囲気のグローブボックスに移し、コンデンサ素子から引き出した引き出しリードを絶縁板下部の貫通部に差し込み、絶縁板上部の貫通部から引き出す。このとき、正・負極の引き出しリードがそれぞれ複数ある場合は、ひとつの貫通部に１本の引き出しリードを通す。このとき、絶縁板下部の挿入突起部を素子捲き芯部に差し、絶縁板と素子が密着するまで圧入した。
次に、引き出しリードをガイド外側へ伸ばし、向きをそろえた後に封口板内部端子に超音波溶接した。
次に、このコンデンサ素子に、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒に１．５ｍｏｌ／Ｌの六フッ化リン酸リチウムを溶かした電解液を含浸した後に、直径が２２ｍｍ、高さが５０ｍｍの有底筒状のアルミニウムケースに収納し、かしめにより封口板で封口し、電気二重層キャパシタとした。

本発明の、封口前の電気二重層コンデンサを示している。 本発明の、封口後の電気二重層コンデンサを示している。 本発明の、絶縁板を示している。 本発明の、ガイドの別例を示している。 本発明の、ガイドの別例を示している。

符号の説明

１…素子、２…金属ケース、３…引き出しリード、４…絶縁板、５…貫通部、６…ガイド、７…ゴム、８…基板、９…封口板、１０…端子、１１…仕切り突状部、１２…挿入突起部、１３…巻き芯部、１４ …横絞り溝。

Claims (6)

1. 正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、その貫通部の上方に、前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設けることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、前記引き出しリードを仕切る仕切り突状体とを有し、その仕切り突状体の側面には前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドを設けることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
3. 正極と負極とをセパレータを介して捲回した素子と、その正極と負極に設けた引き出しリードと、その引き出しリードに接続するラグ端子を有する封口板と、前記素子を収納し開口端部で前記封口板により封口するケースとを有する電気二重層キャパシタにおいて、前記素子と前記封口板の間に絶縁板を設けるとともに、その絶縁板には、前記引き出しリードが貫通する貫通部と、前記引き出しリードを仕切る仕切り突状体とを有し、その仕切り突状体の側面には前記引き出しリードの途中での折り曲げを補助するガイドとを設け、そのガイドの先端は前記絶縁板方向に曲がっているかまたは曲がって前記絶縁板と一体化していることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
4. 前記絶縁板が、前記素子と前記封口板に接触していることを特徴とする請求項１、２または３の電気二重層キャパシタ。
5. 前記絶縁板周辺側と、前記封口板周辺側との間に、ケース側面周辺に横絞り溝を設けるとともに、その横絞り溝が前記絶縁板と、前記封口板に接触していることを特徴とする請求項１、２、３または４の電気二重層キャパシタ。
6. 前記絶縁板は、前記素子の巻芯の中空に挿入する挿入突起部を備えることを特徴とする請求項１、２、３、４または５の電気二重層キャパシタ。

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