JP2008071944A

JP2008071944A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2008071944A
Application number: JP2006249365A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Komata; 一義小又
Original assignee: Hitachi AIC Inc
Current assignee: Lincstech Circuit Co Ltd
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】自動巻き取り機に簡単に自動挿入することができ、しかも、接続部における電極間の短絡を確実に防止できる方法を提供する。
【解決手段】保護フィルムを引き出しタブとその周辺の集電体の表面に設けるとともに、集電体には多数の貫通孔を設け、その貫通孔に保護フィルムが融着または接着して固定するで、自動的に巻取りやすくなり、高速巻き取りも容易になりやすい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関するものである。特に、集電体と引き出しタブとの接続部に関するものである。

電気二重層キャパシタは、正極集電体とその表面に設けた、活性炭を使用する正極炭素材とからなる正極シートと、負極集電体とその表面に設けた活性炭を使用する負極炭素材とからなる負極シートとを、セパレータを介して捲回または積層した素子と、電解液を密閉容器に収容したもので、特に、エネルギー密度や電圧の向上のために、負極炭素材として、活性炭の代わりに、リチウムを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする電極とし、リチウム塩を含んだ電解液からなる電気二重層キャパシタも提案されるようになってきた。この場合、負極炭素材にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させておくと、エネルギー密度や電圧が向上する。リチウムイオンの移動と吸蔵をし易くするために、表面から裏面へ貫通した孔を設けた集電体を使用する方法も提案されている（特許文献１）。
国際公開Ｗ０９８／０３３２２７号公報

ところで、負極炭素材として、活性炭の代わりに、リチウムを吸蔵、放出しうる炭素材料使用すると、その炭素材料の抵抗が高くなりやすく、電気二重層キャパシタのＥＳＲを増加させてしまう。その対策としてセパレータの密度を下げる方法もあるが、タブ引き出し捲回形の電気二重層キャパシタにおいては、特に、電極と引き出しタブの接続部における引き出しタブ自体のバリあるいは溶接、カシメなど接続加工に伴い発生するバリや突起物が、捲き締め圧力により、密度を下げたセパレータを突き破り，短絡しやすくなってしまう。
また、単に電極と引き出しタブの接続部の表面に保護材をかぶせる方法では、自動的に巻き取りするのが困難になりやすく、高速巻き取りも困難になりやすい。
本発明の目的は、上記の欠点を解決させることにある。

本発明は、電極の集電体と引き出しタブとの接続部に保護用フィルムを介在せしめるタブ引き出し捲回形の電気二重層キャパシタにおいて、保護用フィルムを引き出しタブとその周辺の集電体の表面に設けるとともに、集電体には多数の貫通孔を設け、その貫通孔に保護用フィルムが融着または接着して固定されることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供することである。
また、本発明は、電極の集電体と引き出しタブとの接続部に保護用フィルムを介在せしめるタブ引き出し捲回形の電気二重層キャパシタにおいて、保護用フィルムを引き出しタブとその周辺の集電体の両側表面に設けるとともに、集電体には多数の貫通孔を設け、その貫通孔を通して保護用フィルムどうしが融着または接着して固定されることを特徴とする電気二重層キャパシタを提供することである。

本発明は、集電体に多数の貫通孔を設けそれを利用して保護用フィルムを集電体に固定させるので、自動的に巻取りやすくなり、高速巻き取りも容易になりやすい。
集電体に設けた多数の貫通孔は、負極炭素材にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させておくためにも利用でき、エネルギー密度や電圧が向上するという利点がある。
負極炭素材にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させておくための集電体に設けた多数の貫通孔を、保護用フィルムがふさぐように設けることになるが、保護用フィルムを固定することにより、素子巻き取り時の保護用フィルムの位置ズレを考慮して大きめに設ける必要がなく、また、貫通孔を利用しての固定なので、保護用フィルムと集電体の被着部分の面積は大きなり、固定力を維持しながら圧着部分の面積は少なくできるので、保護用フィルムを必要最小限の大きさで設けることができるため、保護用フィルムによる貫通孔閉塞率も増加させることが少ない。また、電解液の素子含浸時間も増加させることが少ない。
このように本発明によれば、単に挿入，熱融着するだけの操作ですむため、自動巻き取り機においても簡単に自動挿入することができ、また保護用フィルムの長さを調整するだけで各種のコンデンサ素子に適用できる。しかも、接続部におけるバリや突起による電極間の短絡を確実に防止することができる。

本発明に述べる電極は、炭素材料を主体とし電子伝導性を向上させる導電材や、結着材からなる。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。正極の炭素材料は、活性炭を主体とする炭素材料である。

本発明に述べる集電体は、上記電極の内部または積層して設けられた集電のためのもので、導電性の高いものである。全面にわたって貫通孔を有することが好ましいが、引き出しタブ周辺だけでもかまわない。全面にわたって貫通孔を設けることにより、電極との密着性を改善するほか、負極炭素材にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させておくためにも利用でき、エネルギー密度や電圧が向上するという利点がある。
正極の集電体は、電気化学的、化学的に耐食性のある導電体であるアルミニウムであり、貫通孔を有した形状を持つ。穴径は０．２〜２０００μｍ程度。開口率は２．５〜７５％程度である。厚みは１０〜２００μｍ程度である。
負極の集電体は、リチウムと合金を形成せず、負極側の使用条件で安定な材料であればよく、ニッケル、銅又はこれらの合金が使用され、貫通孔を有した形状を持つ。穴径は０．２〜２０００μｍ程度。開口率は２．５〜７５％程度である。厚みは５〜５０μｍ程度である。
貫通孔の加工技術として、エッチング、エキスパンド、パンチングまたはドリル加工がある。
エッチング加工とは、電解エッチングとケミカルエッチングにより穴を設けることである。
正極集電体の場合、アルミニウム箔が一般的に使用され、電解エッチングする場合が多い。その厚さは１０μｍ以上が好ましい。
当該金属箔は、直流又は交流電解エッチングにより、その表面及び内部に無数のピットを形成せしめるようにすることが一般的であるが、直流と交流を組み合わせた電解エッチングを使用してもよい。
電解エッチングに用いる電解液は、塩酸、硫酸、硝酸などの無機塩、或いは各種の有機酸単独又はその２種以上の混合酸からなる適当な濃度の水溶液が使用でき、その夫々に適した電流密度、電圧などが選択される。
通常、塩素イオンを含む浴中において、エッチングは前段、後段の少なくとも２段階に分けて行う。
負極集電体の場合、一般的に銅が使用され、ケミカルエッチングされる。その厚さは５μｍ以上であることが好ましい。脱脂した銅箔に紫外線効果型のレジストフィルムをラミネートする。紫外線を露光させ開口パターンを焼きつけたあと、アルカリ現像してマスキング部以外を取り除く。このあとに塩化第二鉄浴に浸漬し，基材の銅をエッチングする。剥離材を用いてマスキング部を除いたのち、水洗して仕上げる。また、本エッチング方法を正極集電体にも用いることができる。
エキスパンド加工は、金属板をエキスパンド製造機によって千鳥状に切れ目を入れながら押し広げ、その切れ目を菱形や亀甲形に成形したメッシュ状の金属を作製することである。
パンチング加工とは、金属をポンチ等による打ち抜きにより穴を設けることである。
ドリル加工とは、機械的なドリルによる加工で、直径が０．１から０．５ｍｍ程度の穴を開けるものである。その他、レーザやプラズマにより穴を開けてもかまわない。穴の形状は、加工技術により丸型、四角形および菱形があるが、特に限定されるものではない。丸型としては、直径が、１μｍ以上で５〜６０μｍ程度が好ましい。さらに好ましくは５〜２０μｍ程度が好ましい。四角形および菱形としては、両対角線が、１μｍ以上が好ましい。

本発明に述べる保護用フィルムには、樹脂材質が、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート、アクリル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレン−酢酸ビニル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、低融点ナイロン、変性ポリフェニレンエーテル等の熱融着性樹脂のフィルム状にしたものが使用できる。また、ポリエステルフィルムにポリオレフィン系樹脂をラミネートしたようなラミネートフィルムが使用できる。さらにはポリプロピレン、ポリエステルのような材質を用いた不織布も使用できる。また、サブミクロンから数ミクロン程度の微孔性フィルムも使用できる。以上のような材質を用いて、単層、三層、相分離といった構造も取り入れることができる。
また、樹脂フィルム中に、集電体に設けた貫通孔直径程度の大きさの、シリカ等の絶縁性の無機粒子を混入することにより、加圧プレスで混入樹脂の上記粒子が貫通孔に捕捉され、その結果樹脂フィルムを集電体に固定することができる。
保護シートの厚さは、５〜１００μｍ程度である。また、厚みのある１枚のシートよりも、薄い厚みのものを２枚以上組み合わせて同じ厚さにした場合の方が保護シート１枚のものよりも絶縁の効果が高くなる場合が多い。
本発明に述べる保護用フィルムの固定は、引き出しタブ以外の場所で集電体と保護用フィルムの重なった部分の一部を固定するもので、巻き取りの容易性から少なくとも巻芯に近い方を固定するのが好ましい。

本発明に述べる正極引き出しタブは、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、厚さが２０〜９０μｍ程度である。
本発明に述べる負極引き出しタブは、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である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る集電体と引き出しタブとの接続部を示している。図１（ａ）はヒートプレスによる融着で保護用フィルムを片面に接続した拡大図を、図１（ｂ）は保護用フィルムに貫通孔サイズの粒子を備えた例で、プレスによって混入樹脂の粒子が貫通孔に捕捉し保護用フィルムを片面に接続した拡大図を、図１（ｃ）はヒートプレスによる融着で保護用フィルムを両面に接続した拡大図を示している。

図１（ａ）は、集電体６と引き出しタブ１との接続部分の引き出しタブ１上面に、引き出しタブ１をおおうように保護用フィルム５かぶせ、はみ出した片辺をヒートプレスヘッドによりを熱プレスし、保護用フィルム５が貫通孔内に浸入融着により、貫通孔に固定した場合を示している。
図１（ｂ）は、保護用フィルム５中に、集電体に設けた貫通孔直径程度の大きさの、シリカ等の無機粒子を混入したものを使用して、図１（ａ）と同様に、集電体６と引き出しタブ１との接続部分の引き出しタブ１上面に、引き出しタブ１をおおうように保護用フィルム５かぶせ、はみ出した片辺をプレスヘッドによりをプレスし、保護用フィルム５の無機粒子が貫通孔内に浸入するにより、貫通孔に固定した場合を示している。プレスヘッドをある程度加熱することにより保護用フィルム５の無機粒子の移動がスムーズになるので好ましい。
図１（ｃ）は、保護用フィルム５を２枚使用した場合で、集電体６と引き出しタブ１との接続部分の引き出しタブ１の上面と集電体の背面に、引き出しタブ１をおおうように保護用フィルム５かぶせ、はみ出した片辺をヒートプレスヘッドによりを熱プレスしている。熱プレスは片面だけでもかまわないが、両辺に熱プレスした方が、集電体の背面の保護用フィルムの取扱がしやすく好ましい。熱プレスによりその部分の保護用フィルム５が貫通孔内に浸入し、保護用フィルム５どうしが融着することにより、貫通孔で固定している。

図２は、本発明に係る巻きほどいた素子を示している。図２（ａ）は中央部に引き出しタブを接続した斜視図を、図２（ｂ）はその断面図を示している。
第２図は、電極２、２’の中央部に引き出しタブ１、１’を接続した場合で、引き出しタブ１，１’にわたる長さを有する保護用フィルム５、５’を引き出しタブ１、１’の上に挿入する。引き出しタブ１と電極２との接続部は保護用フィルム５、５’によって上から保護されることとなる。

図３は、本発明に係る別例の巻きほどいた素子を示している。図３（ａ）は本発明の穴あき集電体を用いた引き出しタブ部の保護用フィルムを接続した斜視図を、図３（ｂ）はその断面図を示している。
第３図は、電極２、２’の末端に引き出しタブ１、１’を接続した場合で、引き出しタブ１、１’にわたる長さを有する保護用フィルム５、５’を引き出しタブ１，１’の上下から二つ折して挿入し、保護用フィルムの端部を図１（ｃ）のように融着する。

正極は、平均直径で１００μｍ程度の貫通孔を有するアルミ集電体に活性炭分極電極を両面塗布し，長さ４７ｃｍ，巾２．８ｃｍとした。負極は、平均直径で１００μｍ程度の貫通孔を有する銅集電体にリチウムを吸蔵・脱離できる炭素材電極を両面塗布し，長さ５５ｃｍ，巾３ｃｍとした。セパレータは紙とし，巾３．５ｃｍ、厚さ７０μｍ，密度０．４ｇ／ｃｍ^３のものを使用した。
正極引き出しタブは、長さ５ｃｍ，巾０．５ｃｍの短冊状のアルミニウム材を使用し、負極引き出しタブは長さ５ｃｍ，巾０．５ｃｍの短冊状のニッケル材を使用し、溶接により集電体に固定した。保護用フィルムは、巻きの長手方向１ｃｍ、巾３．５ｃｍ、厚さ２０μｍのポリエチレン材を用い，各集電体の電極未塗工部で巻芯に近い方の片側に、熱融着により５点固定したのち巻き取りした。
電解液はＬｉＰＦ_６系を用い、予め負極に予備充電をしたのち、５０Ｆの電気二重層キャパシタを製作した。

保護用フィルムを貫通孔を有する集電体の両面に設けて固定した以外、実施例１と同じく製作した。
実施例１の保護用フィルムがないものを比較例１、保護用フィルムはあるが熱融着していないものを比較例２とした。
実際に巻き取り素子を１０００個作製し、その評価結果を表１に示す。

比較例１は、開路電位が２．８Ｖで，一部短絡により実施例のように３Ｖ以上にはならなかった。比較例２は、自然電位が２．９０Ｖで，一部保護用フィルムがリードタブからズレたために短絡し３Ｖ以上にならなかった。また、本発明による電気二重層キャパシタは作業がほとんど遅延することなく、巻きズレ不良率を低下させることができ、さらに開路電位が安定し、従来品よりも信頼性を向上させることができた。
以上述べたように、本発明は保護用フィルムの挿入方法を改良することにより、作業を遅延させることなく自動巻き取りでき、歩留まりおよび信頼性を向上できるものであるとともに、タブ引き出し捲回形コンデンサの全てに適用でき、産業上有益な発明である。

本発明に係る集電体と引き出しタブとの接続部を示している本発明に係る巻きほどいた素子を示している。本発明に係る別例の巻きほどいた素子を示している。

符号の説明

１，１’：引き出しタブ２，２’：電極３、３’：セパレータ４、４’、５、５’：保護用フィルム
６、６’：集電体７、７’：融着部８：粒子

Claims

電極の集電体と引き出しタブとの接続部に保護用フィルムを介在せしめるタブ引き出し捲回形の電気二重層キャパシタにおいて、保護フィルムを引き出しタブとその周辺の集電体の表面に設けるとともに、集電体には多数の貫通孔を設け、その貫通孔に保護フィルムが融着または接着して固定されることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
電極の集電体と引き出しタブとの接続部に保護用フィルムを介在せしめるタブ引き出し捲回形の電気二重層キャパシタにおいて、保護フィルムを引き出しタブとその周辺の集電体の両側表面に設けるとともに、集電体には多数の貫通孔を設け、その貫通孔を通して保護フィルムどうしが融着または接着して固定することを特徴とする電気二重層キャパシタ。