JP2009064946A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】集電端子部分の封止性、強度を高めることにより、信頼性を高めた電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】複数のセルを積層したキャパシタ本体１ａの外装が、アルミラミネートフィルムにより被覆される電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ本体１ａの両端部の１対の集電端子１２、１３各々に、キャパシタ本体１ａの側面１ｂに沿って折り曲げる第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂを設けると共に、キャパシタ本体１ａの側面１ｂの中央で外側に向かって折り曲げる第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃを設け、１対の集電端子１２、１３の第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃを共に同一平面でアルミラミネートフィルムにより被覆して、１対の集電端子１２、１３の端部をアルミラミネートフィルムから外部に引き出すようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関する。

電気二重層キャパシタは、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。

具体的な構造としては、例えば、特許文献１に示す従来のバイポーラ型電気二重層キャパシタ（以後、キャパシタと省略して呼ぶ。）では、片面に活性炭電極を接着した２枚の集電極板間にゲル電解質膜又はセパレータを挟み込み、それらの外周部にシール機能を有するパッキンを挟んで積層し、更に、これらをエンドプレートで両側から締め付けて密閉構造としている。この構造では、薄くフレキシブルな金属板を集電端子として用いており、この集電端子をエンドプレートと集電極板との間に挟み込むことで、集電端子を集電極板に接触させており、これにより、密閉構造を保った状態で、集電端子を外部に引き出している。

又、特許文献２に示す従来のキャパシタでは、シールと気密性を兼ね備えた構造とするため、アルミラミネートフィルムをキャパシタの外装として用い、このアルミラミネートフィルムをヒートシールすることによりシール構造としている。この構造では、薄いアルミニウム箔が集電端子を兼ねる集電金属として用いられており、この集電金属をアルミラミネートフィルム内面に沿って引き出し、引き出された集電金属と共にアルミラミネートフィルムをヒートシールすることにより、シール構造を保った状態で、集電金属を外部に引き出している。

特開２００３−２１７９８５号公報 特開２００２−３１３６７７号公報 特開２００６−０２４６６０号公報

電気二重層キャパシタを高信頼性化するためには、外界からの水分を遮断しなければならなく、それは、バイポーラ型のキャパシタにおいても同様である。外来の水分を遮断する方法として、上述したアルミラミネートフィルムによる封止は有効な手段であるが、バイポーラ型のキャパシタでは、正極と負極の集電端子をエンドプレート近傍から出す構造であるので、単にアルミラミネートフィルムをヒートシールするだけでは、シール不良を起こすおそれがある。

そこで、例えば、特許文献３に示すアルミラミネートフィルム熱溶着装置では、下側圧着板の１対の集電端子収容溝の間隔を、キャパシタ外部に引き出された１対の集電端子の間隔に合わせることにより、集電端子を集電端子収容溝に正しく収容しており、この状態で加熱圧着して溶着することにより、シール不良を防止するようにしている。

ところが、近年、キャパシタの高電圧化に対応させるため、有機系電解液が使用されることが多く、有機系電解液が使用されるキャパシタでは、その特性を長時間維持するため、水分の遮断をより確実にすることが必要であり、シール性、気密性の更なる向上が必要となってきている。特に、水分のより確実な遮断のためには、気体分子レベルの溶着不良も防止する必要があり、特許文献３に示すように、アルミラミネートフィルム熱溶着装置の構造を工夫するだけでは不十分であり、キャパシタ自体の構造、特に、集電端子周りの構造も工夫する必要がある。

集電端子の構造については、溶着不良を防止して、確実に封止されるためには、あまり厚くなく、あまり大きくないことが望ましいが、一方では、これは、集電端子自体の強度不足による問題を引き起こすおそれがある。

より具体的には、集電端子には、電解液が接触したときの腐食を防ぐため、材料としてアルミニウムが使用されており、又、熱溶着を行う際、集電端子の体積が大きく、熱容量が大きいと、十分温度が上がらず、溶着不良を起こすため、集電端子をあまり厚く、あまり大きくしていない。従来は、集電端子として、約０．５ｍｍの厚さのアルミニウム製の板を用いており、従って、集電端子は、曲げ強度や繰り返し応力には弱い状況である。

一方、キャパシタは低抵抗、大電流が流せることが特徴であることから、５．５〜１６ｍｍ²の太く、重い電線が、この集電端子には取り付けられることになる。電線の取り付け時には、この集電端子に繰り返しの曲げ応力が加わり、複数回の取り付け、取り外しによるストレスに耐えられず、曲げ部で破断するおそれがある。又、破断には至らないまでも、繰り返しの応力により、集電端子が変形し、溶着部分に隙間が生じて、シール性、気密性が低下するおそれもある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、集電端子部分の封止性、強度を高めることにより、信頼性を高めた電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る電気二重層キャパシタは、
複数のセルを積層したキャパシタ本体の外装が、アルミラミネートフィルムにより被覆された電気二重層キャパシタにおいて、
前記キャパシタ本体の両端部の集電極板に接触する１対の集電端子各々に、前記キャパシタ本体の厚さ方向の側面に沿って折り曲げる第１折り曲げ部を設けると共に、前記側面の中央で外側に向かって折り曲げる第２折り曲げ部を設け、前記１対の集電端子の前記第２折り曲げ部を共に同一平面で前記アルミラミネートフィルムにより被覆して、前記１対の集電端子の端部を前記アルミラミネートフィルムから外部に引き出すようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る電気二重層キャパシタは、
上記第１の発明に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記第２折り曲げ部の根本部分の周囲に、前記アルミラミネートフィルムの上から、樹脂モールドを施したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る電気二重層キャパシタは、
上記第１、第２の発明に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記第１折り曲げ部に絶縁被覆を行ったことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る電気二重層キャパシタは、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
前記第２折り曲げ部の前記アルミラミネートフィルムにより被覆される部分を、耐熱性樹脂をベースとする溶着フィルムで予備溶着しておき、前記溶着フィルムを介して、前記アルミラミネートフィルムにより前記集電端子を被覆したことを特徴とする。

本発明によれば、集電端子部分の封止性、強度を高めることができ、その結果、電気二重層キャパシタの信頼性を高めることができる。

以下、図１〜図７を参照して、本発明に係る電気二重層キャパシタの実施形態例を説明する。

図１は、本発明に係る電気二重層キャパシタの実施形態の一例を示す概略構成図であり、その側断面を示すものである。

本実施例の電気二重層キャパシタ（以後、キャパシタと省略して呼ぶ。）１は、バイポーラ型であり、図１に示すように、イオンが通過可能な平板状のセパレータ２と、セパレータ２を両側から挟むように配置された平板状の活性炭電極３とからなるセル４を、平板状の分極基材５を介して、複数積層した積層型の構成である。図１では、一例として、３つのセル４を積層した構成を示している。セル４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６を挟んでいる。このパッキン６は、同時にセル４間での絶縁も兼ねている。セル４を積層する際には、必要な耐電圧（単セル耐電圧２．５Ｖ程度）分のセル４をパッキン６と交互に積み重ね、それらの両端部に平板状の集電極板７、８を設け、積層したセル４を、集電極板７、８と共に平板状の２つのエンドプレート９で共締めすることにより、密閉構造を保っている。エンドプレート９同士は、セル４の積層方向に延設された樹脂スペーサ１０に、エンドプレート９を介して、皿ネジ１１をねじ込むことにより、互いに締め付けている。

なお、積層型ユニットのキャパシタでは、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。この積層型ユニットのキャパシタは、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、ユニット内部で直列接続のためのケーブル等を必要とせず、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。

キャパシタ１の集電構造は、集電極板７、８とエンドプレート９との間に、アルミ製の集電端子１２、１３を挟み込み、集電極板７、８とエンドプレート９との間の加圧力により、この集電端子１２、１３を集電極板７、８と接触させて、電子の受け渡しを行っている。上述した構造により、キャパシタ本体１ａを構成している。更に、キャパシタ本体１ａを被覆する外装として、水分遮断を行うアルミラミネートフィルム１４を設けており、このアルミラミネートフィルム１４の溶着接合部１４ａから、集電端子１２、１３の一部（例えば、図中の１３ｃ）を外部に引き出すことにより、外部との電気接続を可能としている。なお、アルミラミネートフィルム１４は、ベースをアルミ箔とし、外側の保護層を架橋性樹脂であるＰＥＴとし、内側の溶着層を熱可塑性であるポリエチレンとした。

集電端子１２、１３は、図２に示すように、クランク形状を有するものである。具体的には、集電極板７、８とエンドプレート９との間に挟み込まれる基部１２ａ、１３ａと、キャパシタ本体１ａの厚さ方向の側面１ｂに沿って（セル４の積層方向に沿って）、基部１２ａ、１３ａから折り曲げられた第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂと、キャパシタ本体１ａの側面１ｂの厚さ中央において（セル４の積層方向の厚さ中央において）、第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂからキャパシタ本体１ａの外側に向かって折り曲げられた第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃから構成されている。

又、集電端子１２、１３は、その基部１２ａ、１３ａが、キャパシタ本体１ａの同一側面１ｂにおいて、集電極板７、８とエンドプレート９との間に挟み込まれると共に、その第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃ同士が同一平面上となるように、配置されている。これは、エンドプレート９近傍から外部へ引き出す集電端子１２、１３に、上記構成の第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃを設け、一つの平面上に揃えることにより、後述する平板状のヒートプレスバーを用いたアルミラミネートフィルム１４によるシールを、バイポーラ形のキャパシタに適用することを可能としている。その結果、シール性が向上して、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。

又、図３に示すように、集電端子１２、１３の第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂの周囲を、絶縁被覆２１により被覆するようにしてもよい。これは、集電端子１２、１３の第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂと、セル４の側面、特に、パッキン６の側端面との間に絶縁被覆２１を設けることにより、アルミラミネートフィルム１４により真空シールされて、集電端子１２、１３とパッキン６が接触しても、パッキン６の絶縁能力を損なわないようにすることができ、その結果、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。なお、絶縁被覆２１としては、例えば、ポリテトラクロロエチレンの粘着テープ等を用いる。

又、図４に示すように、集電端子１２、１３の第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃにおいて、アルミラミネートフィルム１４により溶着される部分の両面に、耐熱性のある溶着フィルム２２を予備溶着しておいてもよい。溶着フィルム２２としては、例えば、耐熱性のある架橋形ポリオレフィンをベースとし、その両面を熱溶着層とする３層構造のものを用いる。これは、キャパシタ１自体の熱容量が大きくなると、それに応じて、ヒータにより付与する溶着時の熱量も増やす必要があるため、その耐熱性を確保するためである。従って、溶着時の熱量をキャパシタ１自体の熱容量に応じて増やしても、耐熱性のある溶着フィルム２２を用いたので、集電端子１２、１３とアルミラミネートフィルム１４を溶着する際、熱溶着フィルム２２が溶け出すことがなくなり、真空シールの信頼性が増し、その結果、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。

当然ながら、図３と図４を組み合わせた構成、即ち、集電端子１２、１３の第１折り曲げ部１２ｂ、１３ｂの周囲を、絶縁被覆２１により被覆すると共に、その第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃの溶着部分を、溶着フィルム２２により予備溶着しておいてもよい。

集電端子１２、１３部分のアルミラミネートフィルム１４による密閉溶着を、図５、図６を用いて説明する。集電端子１２、１３は、その基部１２ａ、１３ａが集電極板７、８とエンドプレート９との間に挟み込まれて、その端部となる第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃがキャパシタ本体１ａから外側に向かって引き出される構成となっている。その第２折り曲げ部１２ｃ、１３ｃには、前述した熱溶着フィルム２２が予め溶着されて取り付けられている。一方、アルミラミネートフィルム１４を溶着接合部１４ｂにおいて溶着接合して、両端が開口した筒状に成型しておく。

そして、筒状に成型されたアルミラミネートフィルム１４の内部に、集電端子１２、１３を取り付けたキャパシタ本体１ａを挿入する。次に、集電端子１２、１３の熱溶着フィルム２２が取り付けられた部分と共に、アルミラミネートフィルム１４の一方の開口部分を熱溶着することにより、溶着接合部１４ａを形成し、集電端子１２、１３の端部のみをアルミラミネートフィルム１４の外部に引き出した構成としている。

熱溶着フィルム２２が取り付けられた集電端子１２、１３と共に、アルミラミネートフィルム１４の一方の開口部分を熱溶着する際には、２つの平板状のヒートプレスバーを用いて、加圧、熱溶着を行うことにより、集電端子１２、１３とアルミラミネートフィルム１４とを一体化するようにしている。

このヒートプレスバーは各々、平坦で平行な加圧加熱面を有し、かつ、加圧加熱溶着時に集電端子１２、１３が当たる部分に、［｛（集電端子１２、１３の厚さ）＋（熱溶着フィルム２２のベースの厚さ）＋（熱溶着フィルム２２の熱溶着層の厚さ）｝＊０．５］となるような深さの逃げを有している。このように、集電端子１２、１３を熱溶着するとき、この部分の厚さを厳密に制御することにより、封止部分の熱溶着強度が十分確保できるようになるため、ラミネートフィルム１４の封止能力に関する信頼性が向上し、その結果、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。

次に、加圧、熱溶着により一体化された集電端子１２、１３及びアルミラミネートフィルム１４は、その直後に、上記ヒートプレスバーと同一形状の冷却バーか、若しくは、片方がシリコンパッドの冷却バーでプレスしながら冷却している。これは、アルミラミネートフィルム１４の位置ズレを防ぐためである。従って、熱溶着部分を短時間で確実に冷却することにより、溶けた熱溶着フィルム２２が集電端子１２、１３面においてすべるのを防止することができるため、熱溶着強度が向上し、アルミラミネートフィルム１４のシールの信頼性が向上して、その結果、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。

最後に真空シーラを用いて、筒状のアルミラミネートフィルム１４の他方の開口部分（集電端子１２、１３が溶着された方とは反対側の開口部分）から、真空引きを行い、真空引き後にインパルス状の加熱を行い、その後冷却することで、キャパシタ本体１ａをアルミラミネートフィルム１４の内部に密閉すると共に真空シールしている。

図７は、本発明に係る電気二重層キャパシタの実施形態の他の一例を示す概略構成図であり、図７（ａ）は、その側面を示す図であり、図７（ｂ）は、その正面を示す図である。なお、本実施例のキャパシタは、実施例１に示したキャパシタ１において、更に信頼性を向上させる構造としたものであり、その基本的構造は、実施例１に示したものでよい。従って、ここでは、実施例１と重複する構造の説明は省略し、同じ符号を用いて、本実施例の説明を行う。

実施例１で説明したように、集電端子１２、１３には、クランク状の曲げ加工が施されているため、その第２曲げ部１２ｃ、１３ｃの根本部分（曲げ部分）は、応力が集中し易い構造である。又、集電端子１２、１３には、外部配線が接続されているため、電端子１２、１３は、接続に伴う外的応力が働きやすい構造である。加えて、集電端子１２、１３の厚さは、０．５ｍｍ程度と薄いものである。従って、集電端子１２、１３に繰り返し外的応力が働くと、第２曲げ部１２ｃ、１３ｃの根本部分（曲げ部分）で破断するおそれがあった。

そこで、本実施例のキャパシタでは、実施例１に示すキャパシタ１において、外的応力が働く集電端子１２、１３の耐久性を向上させた構造としたものである。具体的には、外的応力が最もかかりやすい第２曲げ部１２ｃ、１３ｃの根本部分に、アルミラミネートフィルム１４の上から樹脂モールド２３を設けた構造とした。更に詳細には、アルミラミネートフィルム１４の集電端子１２、１３が引き出された方の溶着接合部１４ａにおいて、集電端子１２、１３の両面全体を上下から挟み込むように、三角断面形状の樹脂モールド２３を設けている。１つの樹脂モールド２３の三角断面の底辺（キャパシタ１の側面に沿う辺）は、例えば、５〜１０ｍｍの範囲の長さとされる。

樹脂モールド２３は、角部に塗り込み可能で硬化するものであり、かつ、アルミラミネートフィルム１４と密着するものであれば何でも良く、特に素材は問わない。例えば、約１２０℃で液状となるＥＶＡ系のホットメルト接着剤や常温で硬化するエポキシ接着剤等が適用可能である。

このように、外部応力が集中するおそれがある集電端子１２、１３の第２曲げ部１２ｃ、１３ｃの根本部分に、上記構造の樹脂モールド２３を設けることにより、外部応力が働いた場合でも、その力を分散させて、集電端子１２、１３の耐久性を大幅に向上させ、破断による導通不良が起こる確立を大幅に低下させて、その結果、キャパシタ１の信頼性を向上させることができる。

なお、本発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、内部構造に用いられる材料は、公知の材料を適用可能である。例えば、分極電極は活性炭等、電解液は、アンモニウム塩を有機溶媒に溶かしたものやイオン性液体等、セパレータは繊維系やポリオレフィン系のもの等、パッキンは耐溶剤性ゴム等、集電極板、集電端子はアルミニウム等の材料を適用可能である。

本発明は、特に、積層バイポーラ型の電気二重層キャパシタに好適なものである。

本発明に係る電気二重層キャパシタの実施形態の一例を示す概略構成図であり、その側断面を示すものである。 図１に示す電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ本体に対する集電端子の取り付けを説明する斜視図である。 図１に示す電気二重層キャパシタにおける集電端子の構造の一例を示す斜視図である。 図１に示す電気二重層キャパシタにおける集電端子の構造の他の一例を示す斜視図である。 図１に示す電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ本体に対するアルミラミネートフィルムの取り付けを説明する斜視図である。 図１に示す電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ本体に対するアルミラミネートフィルムの封止を説明する斜視図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタの実施形態の他の一例を示す概略構成図であり、（ａ）は、その側面図、（ｂ）は、その正面図である。

符号の説明

１ 電気二重層キャパシタ
１ａ キャパシタ本体
２ セパレータ
３ 電極
４ セル
５ 分極基材
６ パッキン
７、８ 集電極板
９ エンドプレート
１０ 樹脂スペーサ
１１ 皿ねじ
１２、１３ 集電端子
１２ａ、１３ａ 基部
１２ｂ、１３ｂ 第１折り曲げ部
１２ｃ、１３ｃ 第２折り曲げ部
１４ アルミラミネートフィルム
２１ 絶縁被覆
２２ 溶着フィルム
２３ 樹脂モールド

Claims (4)

1. 複数のセルを積層したキャパシタ本体の外装が、アルミラミネートフィルムにより被覆された電気二重層キャパシタにおいて、
   前記キャパシタ本体の両端部の集電極板に接触する１対の集電端子各々に、前記キャパシタ本体の厚さ方向の側面に沿って折り曲げる第１折り曲げ部を設けると共に、前記側面の中央で外側に向かって折り曲げる第２折り曲げ部を設け、前記１対の集電端子の前記第２折り曲げ部を共に同一平面で前記アルミラミネートフィルムにより被覆して、前記１対の集電端子の端部を前記アルミラミネートフィルムから外部に引き出すようにしたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 請求項１に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
   前記第２折り曲げ部の根本部分の周囲に、前記アルミラミネートフィルムの上から、樹脂モールドを施したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
   前記第１折り曲げ部に絶縁被覆を行ったことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタにおいて、
   前記第２折り曲げ部の前記アルミラミネートフィルムにより被覆される部分を、耐熱性樹脂をベースとする溶着フィルムで予備溶着しておき、前記溶着フィルムを介して、前記アルミラミネートフィルムにより前記集電端子を被覆したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。

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