JP2009016721A

JP2009016721A - キャパシタ

Info

Publication number: JP2009016721A
Application number: JP2007179541A
Authority: JP
Inventors: Teruhisa Miura; 照久三浦
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】各種電子機器に使用されるキャパシタに関し、自己放電現象を抑制し、電圧降下が少ないキャパシタを提供することを目的とする。
【解決手段】金属箔からなる集電体５の表面にカーボン系電極層６を形成した正負一対の電極２、３をその間にセパレータ４を介在させて対向させたキャパシタ素子１と、このキャパシタ素子１を駆動用電解液と共に収容した金属ケース９からなり、上記キャパシタ素子１の端部に突出したセパレータ４間に形成される空隙内に絶縁層を設けた構成により、絶縁層がセパレータ４の屈曲を阻止して屈曲に対する機械的強度が向上するため、セパレータ４の屈曲部分に電流が集中することを阻止すると共に、絶縁層が電極２、３の金属箔露出部分を被覆して反応を抑制するため、充電後に外部電極端子間をオープン状態で長期間放置しても電圧降下が少なく、従来よりも高い電圧を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器やハイブリッド自動車の回生用、あるいは電力貯蔵用等に使用されるキャパシタの中で、特に、長期信頼性に優れたキャパシタに関するものである。

図５はこの種の従来のキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図であり、図５において、２１はキャパシタ素子を示し、このキャパシタ素子２１は正極電極２２と負極電極２３をその間にセパレータ２４を介在させた状態で巻回することにより構成されているものである。

また、上記正極電極２２と負極電極２３は、アルミニウム箔からなる集電体２５の両面にカーボン系電極層２６（裏面側は図示せず）を夫々形成することにより構成されたものであり、更に、この正極電極２２と負極電極２３には正極リード線２７と負極リード線２８が夫々接続されているものである。

そして、このように構成されたキャパシタ素子２１は、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に有底円筒状の金属ケース２９内に挿入され、正極リード線２７と負極リード線２８が挿通する孔を有したゴム製の封口部材３０を金属ケース２９の開口部に配設した後、金属ケース２９の開口部の外周を内側に絞り加工すると共に、金属ケース２９の開口端をカーリング加工することによって封止を行っているものである。

また、上記駆動用電解液としては、主にプロピレンカーボネート（ＰＣ）を溶媒とし、テトラエチルアンモニウム塩等を電解質とするものが用いられている。

また、図６（ａ）、（ｂ）は上記キャパシタ素子２１を示した要部断面図であり、図６（ａ）は集電体２５の表面全体にカーボン系電極層２６を形成した正極電極２２と負極電極２３を同じ位置で重ね合わせて巻回したものを、図６（ｂ）は一端にカーボン系電極層未形成部を形成した正極電極２２と負極電極２３を互いに逆方向に位置をずらして重ね合わせて巻回することにより、正極電極２２と負極電極２３の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するようにしたものを示したものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平９−１７６９８号公報

しかしながら上記従来のキャパシタでは、キャパシタを充電した後に外部電極端子間をオープン状態にして放置しておくと、キャパシタ固有の自己放電現象によって徐々に電圧が低下するという問題があり、このような電圧低下は一般的には全く問題にならないものではあるが、例えば、自動車のエンジンスタート用として使用する場合等においては、電圧低下によりエンジンが始動できない等、大きな問題になるという課題があった。

そこで、このような自己放電現象による電圧低下のメカニズムを推定してみると、図７に示すような反応が正負電極間で起こっているものと考えられる。

すなわち、負極側では充電によって電子が電極内に供給された場合、（式１）に示すように負極と駆動用電解液の界面では微量の水と酸素の存在下で電子が作用して水酸化物イオンが生成される。そして、例えば集電体の金属箔としてアルミニウムを使用している場合では、（式２）に示すようにアルミニウムと（式１）で生成した水酸化物イオンが反応し、その結果、アルミン酸が生成する。なお、このとき、水酸化アルミニウムも生成していると思われるが、負極近傍では水酸化物イオンが存在するために、液中の雰囲気がアルカリ性であることから水酸化アルミニウムではなく、主にアルミン酸として存在しているものと思われる。

一方、正極側では充電によって（式４）に示すように正極と駆動用電解液の界面では微量の水とアルミニウム箔の存在下で水素イオンと酸化アルミニウムが生成して電子を放出する。また、溶媒中に融解しているテトラフルオロボレートアニオンは、正極の近傍に引き寄せられた水分子と反応した場合、（式５）、（式６）、（式７）に示すようにフッ酸が生成し、更にこのフッ酸は（式８）に示すようにヒドロニウムイオンとフッ素イオンの状態で存在しているものと思われる。

このように、電極と駆動用電解液の界面では、主に上記（式１）及び（式４）の反応過程で電子の授受が発生し、これによって電極内部の電子数が増減し、電圧が徐々に低下していくものと思われる。

このような推定を基に、従来の構成のキャパシタに種々の負荷を与えた後、製品を分解して調査したところ、主に次に示す３点の現象を確認した。

１点目の現象として、負極のアルミニウム箔の断面露出部分において、水酸化アルミニウムの析出を確認した。これは、（式３）に示すように、負極近傍で生成したアルミン酸が負極近傍に引き寄せられた水素イオンと反応し、水酸化アルミニウムと水を生成したためと思われる。

２点目の現象として、セパレータの負極端部と正極面の間に挟まれた部分でセパレータの表裏面にフッ化アルミニウムの存在を確認した。これは、（式９）に示すように、負極で生成したアルミン酸が正極へ泳動中にフッ酸と反応したためと思われる。

３点目の現象として、正極のアルミニウム箔の露出部分において、フッ化アルミニウムの存在を確認した。これは、上記（式５）、（式６）、（式７）、（式８）の反応過程を経て正極で生成したフッ素イオンが（式１０）に示すようにアルミニウムと反応したためと思われる。

特に、上記（式９）の反応を推察させるフッ化アルミニウムの生成箇所は、セパレータの負極端部と正極面の間に挟まれた部分のセパレータの表裏面に集中している。これは、特に負極のアルミニウム箔の断面露出部分よりアルミン酸が生成して正極側へ泳動しているためであり、アルミン酸の反応起部がアルミニウム箔の断面露出部分であることを示唆しているものと思われる。

さらに、上記キャパシタ素子２１を金属ケース２９内に挿入した際に、図８（ａ）に示すように（上記図６（ａ）に示したキャパシタ素子２１に対応）、キャパシタ素子２１の両端面に夫々突出したセパレータ２４が屈曲した場合、ならびに図８（ｂ）に示すように（上記図６（ｂ）に示したキャパシタ素子２１に対応）、キャパシタ素子２１の両端面に夫々突出した集電体２５ならびにセパレータ２４が屈曲した場合、また、図８（ｃ）に示すように、最悪の場合として集電体２５が屈曲してカーボン系電極層２６がセパレータ２４に喰い込み、セパレータ２４に破れが生じた場合等においては、上記セパレータ２４の屈曲部分や破れ部分に電流集中が発生するために上述の反応が更に加速されるようになるものであり、このために、セパレータ２４の屈曲を防止することが必要不可欠であるという大きな課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決し、セパレータの屈曲を防止し、かつ、上述のような正負電極間で発生している反応を抑制させることにより自己放電現象を抑制し、充電後に外部電極端子間をオープン状態で長期間放置しても電圧降下が少なく、従来よりも高い電圧を維持することができるキャパシタを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体の表面にカーボン系電極層を形成した正負一対の電極をその間にセパレータを介在させて対向させることにより構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容した外装部材からなるキャパシタにおいて、上記素子の端部に突出したセパレータ間に形成される空隙内に絶縁層を設けた構成にしたものである。

以上のように本発明によるキャパシタは、素子の端部に突出したセパレータ間に形成される空隙内に絶縁層を設けた構成により、絶縁層がセパレータの屈曲を阻止する壁のような役割を果たすようになるためにセパレータの屈曲に対する機械的強度が向上し、これによりセパレータの屈曲部分や破れ部分に電流が集中することを阻止することができると共に、上記絶縁層が電極の金属箔露出部分を被覆して反応を抑制することができるようになるため、自己放電現象を抑制し、充電後に外部電極端子間をオープン状態で長期間放置しても電圧降下が少なく、従来よりも高い電圧を維持することができるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１、４、５に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図、図２は同電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子を示した要部断面図であり、図１と図２において、１はキャパシタ素子を示し、このキャパシタ素子１は正極電極２と負極電極３を同じ位置で重ね合わせ、その間にセパレータ４を介在させた状態で巻回することにより構成されており、上記正極電極２と負極電極３は、アルミニウム箔からなる集電体５の両面にカーボン系電極層６を夫々形成することにより構成されたものである。更に、正極電極２と負極電極３には正極リード線７と負極リード線８が夫々接続されている。

そして、このように構成されたキャパシタ素子１は、図示しない駆動用電解液を含浸させた後に有底円筒状の金属ケース９内に挿入され、正極リード線７と負極リード線８が挿通する孔を有したゴム製の封口部材１０を金属ケース９の開口部に配設した後、金属ケース９の開口部の外周を内側に絞り加工すると共に、金属ケース９の開口端をカーリング加工することによって封止を行っているものである。

また、１１は上記キャパシタ素子１の両端面に夫々突出したセパレータ４間に形成される空隙内に設けられた絶縁層であり、この絶縁層１１はセパレータ４と同じ材料、または絶縁樹脂によって形成されたものである。

上記絶縁層１１を絶縁樹脂により形成する場合には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のいずれか、またはこれらの複合層からなり、いずれも駆動用電解液に対して安定な樹脂層とし、例えばＰＰ層を形成させる場合には、ＰＰの末端を水酸基として変性したものを有機溶媒中に分散し、この分散液を集電体５の端面の金属箔露出部に塗布し、これを加熱することにより有機溶媒の蒸発と樹脂の粒子を溶着させて絶縁性樹脂層を形成させるようにするものである。

また、上記樹脂層１１の他の例として、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＴ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）のいずれかと、脂環族系石油樹脂、脂肪族系石油樹脂、テルペン系樹脂のいずれかからなる混合材料を集電体５の端面の金属箔露出部に塗布して形成させることもできるものである。

このように構成された本実施の形態によるキャパシタは、キャパシタ素子１の両端面に夫々突出したセパレータ４間に形成される空隙内に絶縁層１１を設けた構成により、セパレータ４の屈曲に対する機械的強度を向上させることができるため、セパレータ４の屈曲部分や破れ部分に電流が集中することを阻止することができると共に、上記絶縁層１１が電極の金属箔露出部分を被覆することになるため、電極の金属箔露出部分に集中して発生していると推定される反応を抑制することができるようになるため、自己放電現象を抑制し、充電後に外部電極端子間をオープン状態で長期間放置しても電圧降下が少なく、従来よりも高い電圧を維持することができるという格別の効果を奏するものである。

なお、本実施の形態においては、キャパシタ素子１として巻回形で構成されたものを例に用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層形のキャパシタ素子を用いることも可能であり、この場合にも同様の効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１、図２を用いて説明したキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタのキャパシタ素子に設けた絶縁層の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。

図３は本発明の実施の形態２によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子を示した要部断面図であり、図３において、１１はキャパシタ素子１の両端面に夫々突出したセパレータ４間に形成される空隙内に形成された絶縁樹脂製の絶縁層であり、この絶縁層１１は一部が対向するセパレータ４のいずれか一方に結合して形成されたものである。

このように構成された本実施の形態によるキャパシタは、上記実施の形態１によるキャパシタにより得られる効果に加え、絶縁層１１の一部を対向するセパレータ４のいずれか一方に結合した構成により、セパレータ４の屈曲に対する機械的強度を安定させることができるようになるという格別の効果を奏するものである。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１、図２を用いて説明したキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタのキャパシタ素子の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。

図４は本発明の実施の形態３によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子を示した要部断面図であり、図４において、１２は正極電極、１３は負極電極であり、この正極電極１２ならびに負極電極１３は夫々アルミニウム箔からなる集電体１５の両面に一端を除いてカーボン系電極層１６を形成することにより構成されたものであり、上記一端にカーボン系電極層未形成部を形成した正極電極１２と負極電極１３を互いに逆方向に位置をずらして重ね合わせ、その間にセパレータ１４を介在させて巻回することにより、正極電極１２と負極電極１３の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するようにしたものである。

また、１７はキャパシタ素子１の両端面に夫々突出したセパレータ１４間に形成される空隙内に形成された絶縁樹脂製の絶縁層であり、この絶縁層１７は一部が対向するセパレータ１４のいずれか一方に結合して形成されたものである。

このように構成された本実施の形態によるキャパシタは、上記実施の形態１によるキャパシタにより得られる効果に加え、集電体１５の一端にカーボン系電極層未形成部を設け、正負の電極の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するようにした構成により、キャパシタ素子の両端面から正極と負極を夫々取り出すことができるようになるため、外部引き出し用のリード線が不要になるばかりでなく、接続抵抗の低減を図ることができるようになるという格別の効果を奏するものである。

なお、本実施の形態においては、キャパシタ素子１は巻回形で構成されたものを例に用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層形のキャパシタ素子を用いることも可能であり、この場合にも同様の効果が得られるものである。

本発明によるキャパシタは、自己放電現象を抑制し、充電後に外部電極端子間をオープン状態で長期間放置しても電圧降下が少なく、従来よりも高い電圧を維持することができるという効果を有し、特に自動車のエンジンスタート用等の分野として有用である。

本発明の実施の形態１によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図同電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子（正／負の電極を同じ位置で重ね合わせて巻回したもの）を示した要部断面図本発明の実施の形態２によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子（正／負の電極を同じ位置で重ね合わせて巻回したもの）を示した要部断面図本発明の実施の形態３によるキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子（一端にカーボン系電極層未形成部を形成した正／負の電極を互いに逆方向に位置をずらして重ね合わせて巻回することにより、正／負の電極の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するようにしたもの）を示した要部断面図従来のキャパシタの一例としての電気二重層キャパシタの構成を示した一部切り欠き斜視図（ａ）同電気二重層キャパシタに使用されるキャパシタ素子（正／負の電極を同じ位置で重ね合わせて巻回したもの）を示した要部断面図、（ｂ）同キャパシタ素子（一端にカーボン系電極層未形成部を形成した正／負の電極を互いに逆方向に位置をずらして重ね合わせて巻回することにより、正／負の電極の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するようにしたもの）を示した要部断面図同自己放電現象による電圧低下のメカニズムを推定した模式図（ａ）セパレータの屈曲状態を示した要部断面図、（ｂ）同集電体ならびにセパレータの屈曲状態を示した要部断面図、（ｃ）同屈曲した集電体がセパレータに喰い込んでセパレータに破れが生じた状態を示した要部断面図

符号の説明

１キャパシタ素子
２、１２正極電極
３、１３負極電極
４、１４セパレータ
５、１５集電体
６、１６カーボン系電極層
７正極リード線
８負極リード線
９金属ケース
１０封口部材
１１、１７絶縁層

Claims

金属箔からなる集電体の表面にカーボン系電極層を形成した正負一対の電極をその間にセパレータを介在させて対向させることにより構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容した外装部材からなるキャパシタにおいて、上記素子の端部に突出したセパレータ間に形成される空隙内に絶縁層を設けたキャパシタ。
金属箔からなる集電体の表面に一端を除いてカーボン系電極層を形成した正負一対の電極を互いに逆方向に位置をずらして配置し、その間にセパレータを介在させて対向させることにより、正負の電極の各カーボン系電極層未形成部が夫々相反する方向に突出するように構成された素子と、この素子を駆動用電解液と共に収容した外装部材からなるキャパシタにおいて、上記素子の端部に突出したセパレータ間に形成される空隙内に絶縁層を設けたキャパシタ。
素子の端部に突出したセパレータ間に設けた絶縁層の一部を、対向するセパレータのいずれか一方に結合した請求項１または２に記載のキャパシタ。
素子の端部に突出したセパレータ間に設けた絶縁層が、セパレータ、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のいずれか、またはこれらの複合層からなる請求項１または２に記載のキャパシタ。
素子の端部に突出したセパレータ間に設けた絶縁層が、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＴ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）のいずれかと、脂環族系石油樹脂、脂肪族系石油樹脂、テルペン系樹脂のいずれかからなる混合材料を塗布して形成したものである請求項１または２に記載のキャパシタ。