JP2008186945A - Electrical double-layer capacitor and manufacturing method of electrical double-layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質膜を用いた電気二重層キャパシタ及び電気二重層キャパシタの製造方法に関する。 The present invention relates to an electric double layer capacitor using a solid electrolyte membrane and a method for manufacturing the electric double layer capacitor.
電気二重層キャパシタは、小型且つ大容量のキャパシタとして、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。電気二重層キャパシタは、正負一対の電極の間にセパレータを配置させ、周囲を電解液で満たすことで形成される。通常、セパレータを挟む正負一対の電極(これを「セル」という)は収納容器内に配置され、この収納容器内を電解質で満たしている。また、1つの収納容器には1つのセルが収納されている。このような電気二重層キャパシタに求められる性能として、大きな静電容量の他に、高い耐電圧性能が挙げられる。 The electric double layer capacitor is used as a backup power source and auxiliary power source for cellular phones and household electric appliances as a small and large capacity capacitor. An electric double layer capacitor is formed by disposing a separator between a pair of positive and negative electrodes and filling the periphery with an electrolytic solution. Usually, a pair of positive and negative electrodes (called “cells”) sandwiching the separator are arranged in a storage container, and the storage container is filled with an electrolyte. In addition, one cell is stored in one storage container. As performance required for such an electric double layer capacitor, in addition to a large capacitance, high withstand voltage performance can be mentioned.
電気二重層キャパシタの耐電圧を高めるには、電解液の分解電圧を上げる(電位窓を広げる)ことで1セル当たりの耐電圧を高めるか、或いは複数のセルを電気的に直列に接続することが必要である。 To increase the withstand voltage of the electric double layer capacitor, increase the breakdown voltage of the electrolyte (widen the potential window) to increase the withstand voltage per cell, or connect multiple cells electrically in series. is required.
従来、電解液としてテトラエチルアンモニウム4フッ化ホウ素塩などの電解質をプロピレンカーボネートなどの溶媒に溶かした電位窓の広い電解液が用いられているが、1セル当たりの耐電圧は約3Vが限界であり、1セル当たりの耐電圧を高めるためには新規の電解液の開発が必要である。
一方、複数セルを電気的に直列に接続するには、複数の収納容器を実装基板の実装面に並べて配置して接続する必要がある。よって、この場合、複数の独立した収納容器を並べるためのスペースが必要となる。また、1つの収納容器内に複数のセルを収納してこれらのセルを直列に接続してしまうと、複数のセルが収納容器内で電解液を共有することになる。よって、収納容器内で高電位側のセルと低電位側のセルとが共通の電解液を使用することになるため、電解液の分解電圧の制限によりキャパシタ全体の耐電圧を高めることができない。 On the other hand, in order to electrically connect a plurality of cells in series, it is necessary to arrange and connect a plurality of storage containers on the mounting surface of the mounting substrate. Therefore, in this case, a space for arranging a plurality of independent storage containers is required. In addition, if a plurality of cells are stored in one storage container and these cells are connected in series, the plurality of cells share the electrolyte in the storage container. Therefore, since the high-potential side cell and the low-potential side cell use a common electrolytic solution in the storage container, the withstand voltage of the entire capacitor cannot be increased due to the restriction of the decomposition voltage of the electrolytic solution.
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、限られた空間内で高い耐電圧が得られる電気二重層キャパシタ及び電気二重層キャパシタの製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electric double layer capacitor capable of obtaining a high withstand voltage in a limited space and a method for manufacturing the electric double layer capacitor. That is.
本発明の第1の特徴は、第1及び第2のキャパシタセルと、第1及び第2のキャパシタセルを収納する収納容器とを備える電気二重層キャパシタであって、第1及び第2のキャパシタセルが、それぞれ、板状のセパレータと、セパレータの表面上に配置された第1の固体電解質膜と、セパレータの裏面上に配置された第2の固体電解質膜と、第1の固体電解質膜の上に配置された活性炭電極からなる第1の電極と、第2の固体電解質膜の下に配置された活性炭電極からなる第2の電極と、第1の電極に接続された第1の集電体と、第2の電極に接続された第2の集電体とを備え、第1及び第2のキャパシタセルが電気的に直列に接続されていることである。ここで、第1の電極と第2の電極とは相対する極性の電極であり、第1の電極が正極である場合、第2の電極が負極となり、第1の電極が負極である場合、第2の電極が正極となる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an electric double layer capacitor including first and second capacitor cells and a storage container for storing the first and second capacitor cells, wherein the first and second capacitors are provided. Each of the cells includes a plate-shaped separator, a first solid electrolyte membrane disposed on the surface of the separator, a second solid electrolyte membrane disposed on the back surface of the separator, and a first solid electrolyte membrane. A first electrode comprising an activated carbon electrode disposed above; a second electrode comprising an activated carbon electrode disposed under the second solid electrolyte membrane; and a first current collector connected to the first electrode. And a second current collector connected to the second electrode, wherein the first and second capacitor cells are electrically connected in series. Here, the first electrode and the second electrode are electrodes having opposite polarities. When the first electrode is a positive electrode, the second electrode is a negative electrode, and the first electrode is a negative electrode. The second electrode becomes the positive electrode.
本発明の第2の特徴は、板状のセパレータと、セパレータの表面上に配置された第1の固体電解質膜と、セパレータの裏面上に配置された第2の固体電解質膜と、第1の固体電解質膜の上に配置された活性炭電極からなる第1の電極と、第2の固体電解質膜の下に配置された活性炭電極からなる第2の電極と、第1の電極に接続された第1の集電体と、第2の電極に接続された第2の集電体とをそれぞれ備える第1及び第2のキャパシタセルを作製する工程と、第1及び第2のキャパシタセルを収納容器に収納する工程と、第1及び第2のキャパシタセルを電気的に直列に接続する工程とを備える電気二重層キャパシタの製造方法であることである。 A second feature of the present invention is a plate-shaped separator, a first solid electrolyte membrane disposed on the surface of the separator, a second solid electrolyte membrane disposed on the back surface of the separator, A first electrode comprising an activated carbon electrode disposed on the solid electrolyte membrane; a second electrode comprising an activated carbon electrode disposed below the second solid electrolyte membrane; and a first electrode connected to the first electrode. Manufacturing a first capacitor cell and a second capacitor cell each including a first current collector and a second current collector connected to a second electrode, and a container for storing the first and second capacitor cells And a step of electrically connecting the first and second capacitor cells in series with each other.
第1及び第2の固体電解質膜が第1及び第2の電極とセパレータの間にそれぞれ配置されることにより、電解液が不要となる。よって、第1及び第2のキャパシタセルを電気的に直列に接続しても、収納容器内で高電位側のセルと低電位側のセルとが共通の電解液を使用することがない。したがって、1つの収納容器という限られた空間内で、電気的に直列に接続された第1及び第2のキャパシタセルからなるキャパシタ全体の耐電圧を高めることができる。 By disposing the first and second solid electrolyte membranes between the first and second electrodes and the separator, respectively, no electrolyte is required. Therefore, even if the first and second capacitor cells are electrically connected in series, the high-potential side cell and the low-potential side cell do not use a common electrolyte in the storage container. Therefore, the withstand voltage of the entire capacitor including the first and second capacitor cells electrically connected in series can be increased within a limited space of one storage container.
なお、本発明は1つの収納容器に収納されるキャパシタセルの数を2つに限定するものではない。1つの収納容器に少なくとも2つのキャパシタセル(第1及び第2のキャパシタセル)が収納されていればよく、3以上のキャパシタ(第3のキャパシタセル、第4のキャパシタセル、・・・)が同じ収納容器内に配置されていても構わない。更に、第3のキャパシタセル、第4のキャパシタセル、・・・が、第1及び第2のキャパシタセルに対して直列に接続されていても構わない。 In the present invention, the number of capacitor cells stored in one storage container is not limited to two. It is sufficient that at least two capacitor cells (first and second capacitor cells) are stored in one storage container, and three or more capacitors (third capacitor cell, fourth capacitor cell,...) Are provided. You may arrange | position in the same storage container. Furthermore, the third capacitor cell, the fourth capacitor cell,... May be connected in series to the first and second capacitor cells.
本発明の第1及び第2の特徴において、第1及び第2のキャパシタセルは1つのセパレータを共有し、セパレータは、第1及び第2のキャパシタセルの間でイオン及び電子の伝導を遮断する境界部を備えることが望ましい。第1及び第2のキャパシタセルが1つのセパレータを共有することにより、セパレータを用いて第1及び第2のキャパシタセル間の相対位置を固定することができる。また、境界部がイオン及び電子の伝導を遮断するため、セパレータを介して第1及び第2のキャパシタセルの間でイオン伝導或いは電子伝導が起こらない。 In the first and second aspects of the present invention, the first and second capacitor cells share one separator, and the separator blocks conduction of ions and electrons between the first and second capacitor cells. It is desirable to provide a boundary. Since the first and second capacitor cells share one separator, the relative position between the first and second capacitor cells can be fixed using the separator. Further, since the boundary portion blocks the conduction of ions and electrons, no ion conduction or electron conduction occurs between the first and second capacitor cells via the separator.
本発明の第1及び第2の特徴において、第1及び第2のキャパシタセルが備える第1の集電体及び第2の集電体の各電位を収納容器の外に取り出す4つの端子を更に備えることが望ましい。4つの端子のうち、第1のキャパシタセルの第1の集電体の電位を取り出す端子と、第2のキャパシタセルの第1の集電体又は第2の集電体の電位を取り出す端子を接続することにより、第1及び第2のキャパシタセルを電気的に直列もしくは並列に接続することができる。よって、収納容器外で端子間を自由に接続できるため電気二重層キャパシタの耐電圧及び静電容量の設計自由度が向上する。 In the first and second features of the present invention, four terminals for taking out each potential of the first current collector and the second current collector included in the first and second capacitor cells to the outside of the storage container are further provided. It is desirable to provide. Of the four terminals, a terminal for extracting the potential of the first current collector of the first capacitor cell and a terminal for extracting the potential of the first current collector or the second current collector of the second capacitor cell By connecting, the first and second capacitor cells can be electrically connected in series or in parallel. Therefore, since the terminals can be freely connected outside the storage container, the withstand voltage of the electric double layer capacitor and the design freedom of the capacitance are improved.
なお、本発明は端子の数を4つに限定するものではない。1つの収納容器から少なくとも4つの端子が取り出されていればよく、3以上のキャパシタ(第3のキャパシタセル、第4のキャパシタセル、・・・)が同じ収納容器内に配置されている場合、これらのキャパシタの第1及び第2の集電体の各電位を取り出す端子を更に備えていても構わない。 In the present invention, the number of terminals is not limited to four. It is sufficient that at least four terminals are taken out from one storage container. When three or more capacitors (third capacitor cell, fourth capacitor cell,...) Are arranged in the same storage container, You may further provide the terminal which takes out each electric potential of the 1st and 2nd electrical power collector of these capacitors.
本発明の第1及び第2の特徴において、第1のキャパシタセルが備える第1の集電体が第2のキャパシタセルが備える第1の集電体又は第2の集電体に接続されていても構わない。これにより、第1のキャパシタセルと第2のキャパシタセルの集電体同士を収納容器内で接続することができ、第1及び第2のキャパシタセルを電気的に直列に接続することができる。収納容器内で直列接続されるため、直列接続のための外部端子や外部端子同士を接続する配線が不要となる。 In the first and second aspects of the present invention, the first current collector included in the first capacitor cell is connected to the first current collector or the second current collector included in the second capacitor cell. It doesn't matter. Thereby, the collectors of the first capacitor cell and the second capacitor cell can be connected in the storage container, and the first and second capacitor cells can be electrically connected in series. Since they are connected in series in the storage container, external terminals for series connection and wiring for connecting the external terminals are not necessary.
本発明によれば、限られた空間内で高い耐電圧が得られる電気二重層キャパシタ及び電気二重層キャパシタの製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the electrical double layer capacitor which can obtain a high withstand voltage within the limited space, and an electrical double layer capacitor can be provided.
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。
(第1の実施の形態)
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタの構成を説明する。電気二重層キャパシタは、第1のキャパシタセル1及び第2のキャパシタセル2と、第1及び第2のキャパシタセル1、2を収納する収納容器3とを備える。第1のキャパシタセル1は、板状のセパレータ11と、セパレータ11の表面上に配置された第1の固体電解質膜12aと、セパレータ11の裏面上に配置された第2の固体電解質膜12bと、第1の固体電解質膜12aの上に配置された活性炭電極からなる第1の電極13aと、第2の固体電解質膜12bの下に配置された活性炭電極からなる第2の電極13bと、第1の電極13aに接続された第1の集電体14aと、第2の電極13bに接続された第2の集電体14bとを備える。同様に、第2のキャパシタセル2は、板状のセパレータ21と、セパレータ21の表面上に配置された第1の固体電解質膜22aと、セパレータ21の裏面上に配置された第2の固体電解質膜22bと、第1の固体電解質膜22aの上に配置された活性炭電極からなる第1の電極23aと、第2の固体電解質膜22bの下に配置された活性炭電極からなる第2の電極23bと、第1の電極23aに接続された第1の集電体24aと、第2の電極23bに接続された第2の集電体24bとを備える。収納容器3は、第1及び第2のキャパシタセル1、2がその内部に配置される筐体31と、筐体31の内部を気密封止するためのキャップ32とを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(First embodiment)
The configuration of the electric double layer capacitor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electric double layer capacitor includes a
第1の実施の形態においては、第1の集電体14a及び第1の集電体24aが収納容器3内部において接続されることにより、第1及び第2のキャパシタセル1、2は、収納容器3内部において電気的に直列に接続されている。よって、第1のキャパシタセル1の第2の電極13bと、第2のキャパシタセル2の第2の電極23bとが、電気二重層キャパシタ全体の正負一対の電極となり、第2の集電体14b、24bは、それぞれ、端子15b、25bに接続されている。端子15b、25bから、第1のキャパシタセル1の第2の電極13b及び第2のキャパシタセル2の第2の電極23bの各電位が収納容器3の外に取り出される。
In the first embodiment, the first and
また、第1の実施の形態においては、第1及び第2のキャパシタセル1、2は1つのセパレータ(11、21)を共有し、このセパレータは、第1及び第2のキャパシタセル1、2の間でイオン及び電子の伝導を遮断する絶縁性の境界部33を備える。すなわち、セパレータ11及びセパレータ21は一体として形成され、境界部33は、第1及び第2のキャパシタセル1、2の境界部分に形成されている。セパレータの材料としては、ポリエチレン製の不織布等を使用することができる。
In the first embodiment, the first and
固体電解質膜12a、12b、22a、22bは、イオン伝導率が高い材質からなることが望ましい。例えば、特開2000−3620号公報に示されているN−エチルイミダゾリウムビニルスルホン酸の溶融塩ポリマーなどや、特開2000−11753号公報に示されているN−ビニルイミダゾリウムフッ化ホウ素酸塩ポリマーなどを用いることができる。N−エチルイミダゾリウムビニルスルホン酸の溶融塩ポリマー及びN−ビニルイミダゾリウムフッ化ホウ素酸塩ポリマーは、ガラス転移温度が電気二重層キャパシタの使用温度付近にある材料である。このような材料を固体電解質膜12a、12b、22a、22bとして使用する場合、1つの収納容器3内においてセパレータを用いずに複数のキャパシタセルを並べて使用すると、温度の上昇に伴い固体電解質膜12a、12b、22a、22bの流動性が増し、個々のキャパシタセルの孤立が維持できず、ショートを招く。これを回避するため、複数のキャパシタセルに共通のセパレータを用いることにより、正負電極間を分離すると同時に、隣接するキャパシタセル1、2間を分離することもできる。
The
次に、図1の電気二重層キャパシタの製造方法を説明する。先ず、電極13a、13b、23a、23bとなる分極性電極(活性炭電極)シート及び固体電解質膜12a、12b、22a、22bとなる固体電解質ポリマーの製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the electric double layer capacitor of FIG. 1 will be described. First, a method for producing a polarizable electrode (activated carbon electrode) sheet to be the
(イ)比表面積1000m2/gのやしガラを原料として水蒸気賦活により得られた活性炭100重量部に対し、導電材としてアセチレンブラック(AB)5重量部、結着材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)5重量部を十分に混練し、厚さが0.05mmになるまでシート状に伸ばす。以上の手順により、分極性電極シートが完成する。 (Ii) 5 parts by weight of acetylene black (AB) as a conductive material and polytetrafluoroethylene (as a binder) with respect to 100 parts by weight of activated carbon obtained by steam activation using palm glass having a specific surface area of 1000 m 2 / g PTFE) 5 parts by weight are sufficiently kneaded and stretched into a sheet until the thickness becomes 0.05 mm. The polarizable electrode sheet is completed by the above procedure.
(ロ)固体電解質ポリマーとしてのポリ(N−エチルイミダゾリウムエチレンスルホン酸)の製造方法は以下の通りである。先ず、N−エチルイミダゾールと濃度25%のビニルスルホン酸水溶液とを混合し、0℃に維持しながら3時間攪拌する。そして、この混合液の余分な水を除去して溶媒を濃縮させ、これを攪拌しているエーテル中に滴下し、析出した結晶を回収し、乾燥させることにより、N−エチルイミダゾリウムビニルスルホン酸塩が得られる。なお、N−エチルイミダゾリウムビニルスルホン酸塩の融点は−10℃である。 (B) A method for producing poly (N-ethylimidazolium ethylenesulfonic acid) as a solid electrolyte polymer is as follows. First, N-ethylimidazole and a vinylsulfonic acid aqueous solution having a concentration of 25% are mixed and stirred for 3 hours while maintaining at 0 ° C. Then, excess water is removed from the liquid mixture, and the solvent is concentrated. The solvent is dropped into the stirring ether, and the precipitated crystals are collected and dried to give N-ethylimidazolium vinylsulfonic acid. A salt is obtained. The melting point of N-ethylimidazolium vinyl sulfonate is −10 ° C.
(ハ)そして、N−エチルイミダゾリウムビニルスルホン酸をメタノール中に溶解させ、重合させる。この時、重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリルをビニル基に対して1%の割合で添加する。65℃に維持したまま3時間ラジカル重合を行なうことにより、特開2000−3620号公報の化学式1に示されているN−エチルイミダゾリウムエチレンスルホン酸ポリマーが得られる。
(C) Then, N-ethylimidazolium vinyl sulfonic acid is dissolved in methanol and polymerized. At this time, azobisisobutyronitrile is added as a polymerization initiator at a ratio of 1% with respect to the vinyl group. By performing radical polymerization for 3 hours while maintaining the temperature at 65 ° C., an N-ethylimidazolium ethylene sulfonic acid polymer represented by
次に、図2(a)〜図2(f)を参照して、第1及び第2のキャパシタセル1、2の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the first and
(1)先ず、図2(a)に示すように分極性電極シート41を用意し、図2(b)に示すように分極性電極シート41の上に、固体電解質ポリマー42としてのN−エチルイミダゾリウムエチレンスルホン酸ポリマーのメタノール溶液を展開する。
(1) First, a
(2)これを乾燥させることにより、電極と固体電解質の積層体が形成される。そして、図2(c)に示すように1片が1.8mm×3.6mmになるように積層体を切断する。図2(d)に示すように切断した2つの積層体43b、43dを固体電解質が上になるように並べる。
(2) By drying this, a laminate of an electrode and a solid electrolyte is formed. And as shown in FIG.2 (c), a laminated body is cut | disconnected so that one piece may become 1.8 mm x 3.6 mm. As shown in FIG. 2D, the two
(3)その上に、図2(e)に示すようにセパレータ(11、21)を配置する。この時、固体電解質が浸漬して、積層体間でイオン及び電子が交換されないように、積層体43b、43dの間に境界部33が形成されているセパレータ(11、21)を使用する。境界部33が積層体43b、43dを隔てるようにセパレータ(11、21)を配置する。なお、セパレータ(11、21)の境界部33に相当する部分を、200℃に加熱した鉄で加圧することにより、液浸透性の低い緻密な膜状構造を持つ境界部33を形成することができる。セパレータ(11、21)の上に、他の2つの積層体43a、43cを、積層体43b、43dに対向するように、固体電解質を下にして並べる。
(3) A separator (11, 21) is disposed thereon as shown in FIG. At this time, a separator (11, 21) in which a
(4)大気圧に対して−30kPaで減圧する。更に、ステンレス板で挟み、上下方向に約200kPaで加圧して、図2(f)に示すように第1及び第2のキャパシタセル1、2が得られる。
(4) The pressure is reduced to -30 kPa with respect to the atmospheric pressure. Further, the first and
次に、図3(a)〜図3(g)を参照して、収納容器3内に第1及び第2のキャパシタセル1、2を収納する手順を説明する。
Next, a procedure for storing the first and
(A)先ず、肉厚が0.050mmのアルミナセラミックからなる筐体31を用意する。筐体31の寸法は、縦5.0mm×横5.0mm×高さ2.0mmである。なお、筐体31は層状構造となっており、予め、図3(a)及び図3(b)に示すように、筐体31の底面に第2の集電体14b、24bとなる配線パターンが形成されている。配線パターンは、筐体31の側壁を突き抜けて裏面側にまで延長されて端子15、25を形成している。配線パターンはタングステンの表面を金メッキしたものを使用している。
(A) First, a
(B)配線パターンの上に導電性ペーストを塗布し、図3(c)及び図3(d)に示すように、第2の電極13b、23bが配線パターンに接するように、上記の第1及び第2のキャパシタセル1、2を筐体31の底面に貼り付ける。そして、導電性ペースト中のバインダーが固化する条件で熱処理を施す。
(B) A conductive paste is applied on the wiring pattern, and as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d), the first electrodes 13b and 23b are in contact with the wiring pattern. The
(C)その後、予めドライ環境において容器内側の面に図3(g)に示すような形状に導電材を被覆したセラミックスからなる絶縁性のキャップ32を用意する。この導電材は第1の集電体14a、24aに相当する。そして、図3(f)及び図3(g)に示すように、キャップ32と筐体31の接合部ではんだガラスを用いて気密封止を行なう。以上の手順により図1に示した電気二重層キャパシタが完成する。
(実験例)
発明者らは、上記の製造方法により製造された本発明の第1の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタを用いて充放電の実験を行なった。また同時に、収納容器内でキャパシタセルを分割していない従来型の電気二重層キャパシタについても比較例として同様な実験を実施した。
(C) Thereafter, an insulating
(Experimental example)
The inventors conducted a charge / discharge experiment using the electric double layer capacitor according to the first embodiment of the present invention manufactured by the above manufacturing method. At the same time, a similar experiment was performed as a comparative example for a conventional electric double layer capacitor in which the capacitor cell was not divided in the storage container.
先ず、比較例に係わる電気二重層キャパシタの製造方法を説明する。比較例に係わる電気二重層キャパシタは、1つの収納容器内に1つのキャパシタセルを収納し、収納容器内に電解質液を充填することにより形成される。具体的には、図4(a)〜図4(c)に示すように、筐体81の底面及びキャップ82の内側の面にそれぞれ集電体74、64が形成され、集電体74、64に接続される端子65、75が収納容器の外側に位置するように形成されている。図4(d)〜図4(f)に示すように、集電体64及び集電体74の上に正極63及び負極73をそれぞれ貼り付ける。正極63及び負極73は、活性炭を用いた分極性電極であり、前述した実施の形態と同様な電極シートであって、正極用及び負極用にそれぞれ3.6mm角サイズに切り出したものを使用する。図4(g)及び図4(h)に示すように、収納容器内に電解液としてテトラエチルアンモニウム4フッ化ホウ素酸塩の炭酸プロピレン溶液(濃度1mol/L)を適量注入する。正極63と負極73間にセパレータ61が挟持されるように筐体81とキャップ82とを重ね合わせ、ドライ環境においてはんだガラスを使用して気密封止する。なお、セパレータ61は、実施の形態と同様に、ポリエチレン製不織布を使用する。
First, a method for manufacturing an electric double layer capacitor according to a comparative example will be described. The electric double layer capacitor according to the comparative example is formed by storing one capacitor cell in one storage container and filling the storage container with an electrolyte solution. Specifically, as shown in FIGS. 4A to 4C,
次に、実験方法について説明する。電気二重層キャパシタの正極側の端子と負極側の端子にそれぞれ陽極及び陰極を接続し、定電流モードで充放電を行なった。具体的には、電流を一定に保ちながら0Vから充電を開始し、最大5Vまで電圧を上げる。放電はカットオフ電圧を0Vとする。 Next, an experimental method will be described. The positive and negative terminals of the electric double layer capacitor were connected to the anode and the cathode, respectively, and charged and discharged in a constant current mode. Specifically, charging is started from 0V while keeping the current constant, and the voltage is increased up to 5V. In the discharge, the cut-off voltage is set to 0V.
上記実験を行なった結果、本発明の第1の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタでは、0Vから5Vまで正常に充放電を行なうことができた。さらに、同じ条件で充放電を1000回繰り返し行なったところ、放電容量の維持率は初期容量に対して80%以上であった。これに対して、比較例に係わる電気二重層キャパシタでは、充電時において4V付近で電圧上昇が停止し、それ以上の充電ができなかった。そこで、充放電の電圧範囲を0V〜3.5Vまでとして、充放電を1000回繰り返し行なったところ、放電容量の維持率は初期容量に対して40%以下であった。 As a result of the above experiment, the electric double layer capacitor according to the first embodiment of the present invention was able to charge / discharge normally from 0V to 5V. Furthermore, when charging / discharging was repeated 1000 times under the same conditions, the discharge capacity retention rate was 80% or more of the initial capacity. On the other hand, in the electric double layer capacitor according to the comparative example, the voltage increase stopped in the vicinity of 4 V during charging, and no further charging was possible. Thus, when the charge / discharge voltage range was 0 V to 3.5 V and charge / discharge was repeated 1000 times, the discharge capacity retention rate was 40% or less of the initial capacity.
以上の実験結果から、本発明の第1の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタは、比較例に係わる電気二重層キャパシタよりも、充放電における耐電圧が高く、且つ、初期容量に対する放電容量の維持率が高いことが分った。 From the above experimental results, the electric double layer capacitor according to the first embodiment of the present invention has a higher withstand voltage in charge and discharge than the electric double layer capacitor according to the comparative example, and has a discharge capacity with respect to the initial capacity. It was found that the maintenance rate was high.
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the following operational effects can be obtained.
本発明の第1の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタは、第1及び第2のキャパシタセル1、2と、第1及び第2のキャパシタセル1、2を収納する収納容器3とを備える。第1及び第2のキャパシタセル1、2は、それぞれ、板状のセパレータ11、21と、セパレータ11、22の表面上に配置された第1の固体電解質膜12a、22aと、セパレータ11、21の裏面上に配置された第2の固体電解質膜12b、22bと、第1の固体電解質膜12a、22aの上に配置された活性炭電極からなる第1の電極13a、23aと、第2の固体電解質膜12b、22bの下に配置された活性炭電極からなる第2の電極13b、23bと、第1の電極13a、23aに接続された第1の集電体14a、24aと、第2の電極13b、23bに接続された第2の集電体14b、24bとを備える。第1及び第2のキャパシタセル1、2は電気的に直列に接続されている。
The electric double layer capacitor according to the first embodiment of the present invention includes first and
第1及び第2の固体電解質膜12a、22a、12b、22bが第1及び第2の電極13a、23a、13b、23bとセパレータ11、21の間にそれぞれ配置されることにより、電解液が不要となる。よって、第1及び第2のキャパシタセル1、2を電気的に直列に接続しても、収納容器3内で高電位側のセルと低電位側のセルとが共通の電解液を使用することがない。したがって、1つの収納容器3という限られた空間内で、電気的に直列に接続された第1及び第2のキャパシタセル1、2からなるキャパシタ全体の耐電圧を高めることができる。
Since the first and second
具体的には、セパレータを挟んで電極及び固体電解質膜を正負一対に対向して積層したキャパシタを収納容器3内で複数に分割してキャパシタセル1、2を形成し、これらを電気的に直列に接続する。収納容器内で分割しないで複数の収納容器を直列に接続する従来の方式に比べて、収納容器にかかるデッドスペースを小さくすることができる。即ち、同じ静電容量、同じ耐電圧を得るための体積を小さく抑えることができる。
Specifically, a capacitor in which electrodes and a solid electrolyte membrane are stacked with a pair of positive and negative electrodes sandwiched between separators is divided into a plurality of capacitors in the storage container 3 to form
また、第1及び第2のキャパシタセル1、2は1つのセパレータ(11、21)を共有し、セパレータ(11、21)は、第1及び第2のキャパシタセル1、2の間でイオン及び電子の伝導を遮断する境界部33を備える。第1及び第2のキャパシタセル1、2が1つのセパレータ(11、21)を共有することにより、セパレータ(11、21)を用いて第1及び第2のキャパシタセル1、2間の相対位置を固定することができる。また、境界部33がイオン及び電子の伝導を遮断するため、セパレータ1、2を介して第1及び第2のキャパシタセル1、2の間でイオン伝導或いは電子伝導が起こらない。即ち、複数のキャパシタセルに共通のセパレータを用いることにより、正負電極間を分離すると同時に、隣接するキャパシタセル1、2間を分離することもできる。
The first and
また、第1のキャパシタセル1が備える第1の集電体14aが第2のキャパシタセル2が備える第1の集電体24aに接続されている。これにより、第1のキャパシタセル1と第2のキャパシタセル2の集電体同士を収納容器3内で接続することができ、第1及び第2のキャパシタセル1、2を電気的に直列に接続することができる。収納容器3内で直列接続されるため、直列接続のための外部端子や外部端子同士を接続する配線が不要となる。
In addition, the first
なお、第1の実施の形態では、図1に示したように、第1の集電体14aと第1の集電体24aとが接続されている場合を示したが、集電体の配線パターンを変更することにより、第1のキャパシタセル1が備える第1の集電体14aを第2のキャパシタセル2が備える第2の集電体24bに接続させても構わない。また、第1のキャパシタセル1が備える第1の集電体14a及び第2のキャパシタセル2が備える第1の集電体24aについても、第2の集電体14b、24bと同様にして、収納容器3外へその電位を取り出す端子を設けても構わない。詳細については、第2の実施の形態において図面を用いて説明する。
(第2の実施の形態)
図1では、2つのキャパシタセル1、2の第1の集電体14a、24aが収納容器内部において接続されることにより、2つのキャパシタセル1、2を直列に接続する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、第1の集電体14a、24aが収納容器外において接続されていても構わない。そこで、第2の実施の形態では、収納容器内のキャパシタセルが備える総ての集電体にそれぞれ端子が接続されている場合について、換言すれば、収納容器3内に収納されるキャパシタセルの数の2倍の端子を備える電気二重層キャパシタについて説明する。
In the first embodiment, the case where the first
(Second Embodiment)
In FIG. 1, the case where the two
図5に示すように、本発明の第2の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタは、図1に比べて、2つのキャパシタセル1、2の第1の集電体14a、24aは収納容器3内部において接続されず、第2の集電体14b、24bと同様に、その電位を収納容器3外に取り出すための端子15a、25aにそれぞれ接続されている。その他の構成は、図1の電気二重層キャパシタと同じであるため、説明を省略する。
As shown in FIG. 5, in the electric double layer capacitor according to the second embodiment of the present invention, the first
図5には示していないが、端子15a、25aの間を配線を用いて接続することにより、第1及び第2のキャパシタセル1、2を電気的に直列に接続することができる。接続する端子の組み合わせはこれに限定されずに、第1のキャパシタセル1が備える端子15a、15bと、第2のキャパシタセル2が備える端子25a、25bとを、任意の組み合わせで接続することができる。更に、端子15aと端子25aを接続し、端子15bと端子25bを接続することにより、第1及び第2のキャパシタセル1、2を電気的に並列に接続することもできる。
Although not shown in FIG. 5, the first and
図6(a)に示すように、図5のキャップ32の外側の面には、端子15a及び端子25aとしての方形状のパッドが形成され、図6(b)に示すように、図5のキャップ32の外側の面には、端子15a及び端子25aに接続された第1の集電体14a、24aが形成されている。
As shown in FIG. 6A, rectangular pads as
以上説明したように、第2の実施の形態に係わる電気二重層キャパシタは、第1及び第2のキャパシタセル1、2が備える第1の集電体14a、24a及び第2の集電体14b、24bの各電位を収納容器3の外に取り出す4つの端子15a、15b、25a、25bを備える。端子15a、25aの間を配線を用いて接続することにより、第1及び第2のキャパシタセル1、2を電気的に直列に接続することができる。収納容器外で接続する端子を任意に選択することができるため、第1及び第2のキャパシタセル1、2の直列又は並列の組み合わせを自由に選択することができ、耐電圧及び静電容量の設計の自由度が向上する。
As described above, the electric double layer capacitor according to the second embodiment includes the first
上記のように、本発明は、第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。 As described above, the present invention has been described according to the first and second embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
1 第1のキャパシタセル
2 第2のキャパシタセル
3 収納容器
11、21 セパレータ
12a、22a 第1の固体電解質膜
12b、22b 第2の固体電解質膜
13a、23a 第1の電極
13b、23b 第2の電極
14a、24a 第1の集電体
14b、24b 第2の集電体
15a、15b、25a、25b 端子
31 筐体
32 キャップ
41 分極性電極シート
42 固体電解質ポリマー
43a、43b、43c、43d 積層体
61 セパレータ
63 正極
64、74 集電体
65、75 端子
73 負極
81 筐体
82 キャップ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1及び第2のキャパシタセルを収納する収納容器とを備え、
前記第1及び第2のキャパシタセルは、それぞれ、
板状のセパレータと、
前記セパレータの表面上に配置された第1の固体電解質膜と、
前記セパレータの裏面上に配置された第2の固体電解質膜と、
前記第1の固体電解質膜の上に配置された活性炭電極からなる第1の電極と、
前記第2の固体電解質膜の下に配置された活性炭電極からなる第2の電極と、
前記第1の電極に接続された第1の集電体と、
前記第2の電極に接続された第2の集電体とを備え、
前記第1及び第2のキャパシタセルは電気的に直列に接続されている
ことを特徴とする電気二重層キャパシタ。 First and second capacitor cells;
A storage container for storing the first and second capacitor cells;
The first and second capacitor cells are respectively
A plate-shaped separator;
A first solid electrolyte membrane disposed on the surface of the separator;
A second solid electrolyte membrane disposed on the back surface of the separator;
A first electrode comprising an activated carbon electrode disposed on the first solid electrolyte membrane;
A second electrode comprising an activated carbon electrode disposed under the second solid electrolyte membrane;
A first current collector connected to the first electrode;
A second current collector connected to the second electrode,
The electric double layer capacitor, wherein the first and second capacitor cells are electrically connected in series.
前記セパレータの表面上に配置された第1の固体電解質膜と、
前記セパレータの裏面上に配置された第2の固体電解質膜と、
前記第1の固体電解質膜の上に配置された活性炭電極からなる第1の電極と、
前記第2の固体電解質膜の下に配置された活性炭電極からなる第2の電極と、
前記第1の電極に接続された第1の集電体と、
前記第2の電極に接続された第2の集電体とをそれぞれ備える第1及び第2のキャパシタセルを作製する工程と、
前記第1及び第2のキャパシタセルを収納容器に収納する工程と、
前記第1及び第2のキャパシタセルを電気的に直列に接続する工程と
を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。 A plate-shaped separator;
A first solid electrolyte membrane disposed on the surface of the separator;
A second solid electrolyte membrane disposed on the back surface of the separator;
A first electrode comprising an activated carbon electrode disposed on the first solid electrolyte membrane;
A second electrode comprising an activated carbon electrode disposed under the second solid electrolyte membrane;
A first current collector connected to the first electrode;
Producing first and second capacitor cells each comprising a second current collector connected to the second electrode;
Storing the first and second capacitor cells in a storage container;
And a step of electrically connecting the first and second capacitor cells in series.
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