JP2009152417A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 矩形状端子板電極にキャパシタ素子を組み込む際に位置ずれが発生しない構造を提案し、電気二重層キャパシタの製造において、歩留まりを向上させ、長期信頼性を確保すること。
【解決手段】 キャパシタ素子６の上下に配置されリード端子部１０ａ，１０ｂを有する矩形状端子板電極８ａ，８ｂのリード端子部が配置される１側面を除く３側面にコの字型ガスケット１３ａ，１３ｂを配置し、キャパシタ素子６と矩形状端子板電極８ａ，８ｂとをコの字型ガスケット１３ａ，１３ｂで位置決めし、外装フィルムで固定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに関し、特にキャパシタ素子と矩形状端子板電極とを位置決めする構造に関する。

電気二重層キャパシタの形状としては、従来からコイン型と大容量型が知られている。コイン型の電気二重層キャパシタの用途は、例えば据え置き型ＶＴＲのタイマー録画機能用時計のバックアップ電源等に使用されている。大容量型の電気二重層キャパシタの用途としては、例えばハイブリッド車の補助電源や無停電電源システム等に使用されている。

一方、携帯機器やノートパソコンの通信カードには、薄型の電気二重層キャパシタが使用されている。携帯機器において、例えば通信モジュールの送信時にピーク電流が増大した時には、Ｌｉイオン二次電池だけでは電圧降下を引き起こし、すぐに容量不足となってしまう。そこで、電気二重層キャパシタを補助的に使用することで、主電源であるＬｉイオン二次電池の駆動時間を延ばすことができる。また、ピーク電流を補うことで電池寿命を延ばすことが可能となる。

従来の電気二重層キャパシタは、例えば特許文献１に記載されているように、その構造は、単位セルまたは、それが積層されたキャパシタ素子と、キャパシタ素子と接続する矩形状端子板電極と、外装フィルムから構成されている。

図５は、従来の電気二重層キャパシタの単位セルの説明図である。図５（ａ）は、平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ面での断面図である。単位セル５は、集電体３と周縁部に位置するガスケット４とで構成される空間内に、セパレータ２を介して対向する一対の電極１を収納して構成されている。ガスケット４は、ガスケット４ａ、４ｂ、４ｃからなり、電極１に接する部分が４ａ、セパレータ２に接する部分が４ｂ、集電体３に接する部分４ｃである。

電極１は、椰子殻系に代表される活性炭および導電性カーボン、バインダから形成されている。セパレータ２は、多孔質を有するフィルムが用いられている。セパレータ２の外形寸法は電極１の外形寸法以上であり、かつ集電体３の外形寸法以下である。集電体３は、導電性を有するゴムが用いられている。ガスケット４は、セル内の絶縁を確保するための部品であり、熱可塑性樹脂、あるいは熱可塑性樹脂と接着可能なゴムまたは樹脂を用いている。

図６は、従来の電気二重層キャパシタの断面を示す模式図である。図６では構成部品の寸法関係と積層関係をわかりやすくするため、切断位置が一様ではない。従来の電気二重層キャパシタ１１は、図５に示した単位セル５を必要数直列に積層して構成されるキャパシタ素子６（図６では、単位セル６個の積層体）の上面に導電性ペースト７ａによって矩形状端子板電極８ａが接続され、キャパシタ素子６の下面に導電性ペースト７ｂによって、矩形状端子板電極８ｂが接続されている。ここで、キャパシタ素子６の上面に接続される矩形状端子板電極８ａからは、リード１５ａが延びて、リード端子部（図示せず）と接続されている。また、キャパシタ素子６の下面に接続される矩形状端子板電極８ｂからはリード１５ｂが延びて、リード端子部１０ｂと接続されている。これらがさらに外装フィルム９ａ,９ｂに覆われて電気二重層キャパシタ１１が構成されている。

キャパシタ素子６の上面に矩形状端子板電極８ａを接続した面は、外装フィルム９ａにて覆われ、キャパシタ素子６の下面に矩形状端子板電極８ｂを接続した面は、外装フィルム９ｂにて覆われている。リード端子部１０ｂは、外装フィルム９ａ，９ｂの外側に出ている。

導電性ペースト７ａ，７ｂは、銀や銅などの導電性物質とバインダから構成されている。外装フィルム９ａ，９ｂは、金属箔とポリオレフィン系フィルムを貼り合わせたラミネートフィルムやポリエステル、ポリ塩化ビニルなどから形成された熱収縮性を有するチューブ等が用いられている。

図７は、従来の電気二重層キャパシタの分解図である。図７（ａ）は、単位セルの平面図を示し、図７（ｂ）は、矩形状端子板電極の平面図を示す。図７（ｃ）は、矩形状端子板電極に単位セルを設置した形態の側面図を示す。

図７（ａ）は、図６に示したキャパシタ素子６を構成する単位セル５を上面から見た平面図であり、図５（ａ）と同じく集電体３と周囲のガスケット４ｃを示している。図７（ｂ）は、図６に示した矩形状端子板電極８ｂを上面から見た平面図であり、リード端子部１０ｂと、キャパシタ素子６を固定するための素子固定用爪１２ｂが接続されている。

図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示した矩形状端子板電極８ｂに単位セル５を設置した形態の側面図を示している。図６に示した様に矩形状端子板電極８ｂに単位セル５を必要数積層して構成されたキャパシタ素子６を設置しているが、図を簡略化するため、図７（ｃ）ではキャパシタ素子６として単位セル５が１個のみの場合の例で示しているが、本来は図７（ｃ）に示した矩形状端子板電極８ｂに必要数の単位セル５の積層体を設置した上に、さらに図６に示した矩形状端子板電極８ａを配置する。矩形状端子板電極８ａには素子固定用爪１２ａ（図示せず）が含まれ、単位セル５が位置決め固定される。さらに、全体を外装フィルム９ａ，９ｂにて覆って作製されていた。しかし、単位セル５はリード端子部１０ｂと素子固定用爪１２ｂによって位置決めされる構造であるが、位置ずれ防止のためには固定が不十分であった。

特開２００５−１０９２９３号公報

最近の携帯機器の小型化にともない電気二重層キャパシタに対しても寸法の薄型化、小型化の要求が高まってきている。そこで、従来の電気二重層キャパシタに対してガスケットを限界まで短くさせることや外装フィルムを内側に折り込むなどの対策が進められている。

ところが、これらの薄型化、小型化に対応しようとしても、従来の電気二重層キャパシタの製造において矩形状端子板電極にキャパシタ素子を組み込む際に位置ずれが発生すると、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の上昇や充電不足が生じ電気二重層キャパシタとしての機能を果たさなくなるという不具合が生じている。

そこで、本発明の課題は、矩形状端子板電極にキャパシタ素子を組み込む際に位置ずれが発生しない構造を提案し、電気二重層キャパシタの製造において、歩留まりを向上させ、長期信頼性を確保することである。

本発明は、集電体と、周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の電極を収納する単位セルが単数または複数積層されたキャパシタ素子の上下に、１側面にリード端子部を有する矩形状端子板電極が配置され、前記矩形状端子板電極のリード端子部を有する１側面を除く３側面にコの字型ガスケットが配置され、前記キャパシタ素子と前記矩形状端子板電極が前記コの字型ガスケットで位置決めされ、外装フィルムで固定されたことを特徴とする電気二重層キャパシタである。

コの字型ガスケットによりキャパシタ素子と矩形状端子板電極を位置決め固定することができるので、矩形状端子板電極にキャパシタ素子を組み込む際の位置決めが容易になり製造工程での位置ずれの発生が低下し、歩留まりが向上し、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の上昇という不具合の発生を低減し、品質の安定した電気二重層キャパシタの製造が可能となる。

本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。

図１は、本発明による電気二重層キャパシタの単位セルにコの字型ガスケットを追加した説明図である。図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したＡ−Ａ面での断面図である。従来の電気二重層キャパシタと同様の電極１、セパレータ２、集電体３、ガスケット４の積層体からなる単位セル５にコの字型ガスケット１３ａを追加した構造を示している。図１において、単位セルを構成する電極１、セパレータ２、集電体３、ガスケット４は、従来の電気二重層キャパシタと同様の材質と形状である。ガスケット４は、ガスケット４ａ、４ｂ、４ｃからなり、電極１に接する部分が４ａ、セパレータ２に接する部分が４ｂ、集電体３に接する部分４ｃである。

コの字型ガスケット１３ａの材質は従来のガスケット４と同様で良い。コの字型ガスケット１３ａは、キャパシタ素子と矩形状端子板電極とを位置決め固定するための部品であり、矩形状端子板電極のリード端子部が配置される１側面以外の３側面に配置される。コの字型ガスケット１３ａは単位セル５が積層されたキャパシタ素子の上面と下面のみに接続するもので、図１はキャパシタ素子の最上層の単位セル５にコの字型ガスケット１３ａを追加した形態を示している。図１（ｂ）では、コの字型ガスケット１３ａの右側は、断面で表される。

図２は、本発明の電気二重層キャパシタの断面を示す模式図である。図２では構成部品の寸法関係と積層関係をわかりやすくするため、切断位置が一様ではない。本発明の電気二重層キャパシタ１４は、単位セルを必要数直列に積層させたキャパシタ素子６の上面にコの字型ガスケット１３ａを接続して、矩形状端子板電極８ａを接続している、キャパシタ素子６の下面にはコの字型ガスケット１３ｂを接続して、矩形状端子板電極８ｂを接続している。

従来の電気二重層キャパシタと同様に、キャパシタ素子の上面に接続される矩形状端子板電極８ａからはリード１５ａが延びて、リード端子部（図示せず）と接続されている。キャパシタ素子の下面に接続される矩形状端子板電極８ｂからはリード１５ｂが延びて、リード端子部１０ｂと接続されている。さらに、従来の電気二重層キャパシタと同様に外装フィルム９ａ,９ｂにて覆われて構成されている。

図３は、本発明の電気二重層キャパシタの分解図である。図３（ａ）は、単位セルにコの字型ガスケットを接続した形態を上面から見た平面図を示し、図３（ｂ）は、矩形状端子板電極の平面図を示し、図３（ｃ）は、矩形状端子板電極にコの字型ガスケットが接続された単位セルを設置した形態の側面図を示す。

図３（ａ）は、図１（ａ）と同じく、単位セル５にコの字型ガスケット１３ａを接続した形態の平面図である。単位セル５は、集電体３とガスケット４ｃで表され、リード端子部が配置されるガスケット４ｃが見えている箇所以外の３側面にコの字型ガスケット１３ａが配置されている。図３（ｂ）は、矩形状端子板電極８ｂを上面から見た平面図であり、リード端子部１０ｂが接続され、図７（ｂ）に示したような、キャパシタ素子を固定するための素子固定用爪１２ｂは設けられていない。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示した矩形状端子板電極８ｂ上に下面にコの字型ガスケットを接続した単位セル５を設置した形態の側面図を示している。単位セル５と矩形状端子板電極８ｂとは、コの字型ガスケット１３ｂによって位置決めされ、固定されている。本発明の電気二重層キャパシタは、図２に示した様に矩形状端子板電極８ｂに単位セル５を必要数積層して構成されたキャパシタ素子６を設置するが、図を簡略化するため、図３（ｃ）ではキャパシタ素子として単位セル５が１個のみの場合の例で示している。

図４は、本発明の電気二重層キャパシタの構成図である。図４（ａ）は、平面図であり、図４（ｂ）は側面図である。図４に示す電気二重層キャパシタは外装フィルムで覆う前のものである。図４（ａ）は、図３（ｃ）に示したように、単位セル５（図示せず）と矩形状端子板電極８ｂをコの字型ガスケット１３ｂによって固定した上に、さらに矩形状端子板電極８ａをコの字型ガスケット１３ａによって固定した形態の平面図を示している。矩形状端子板電極８ａは、リード端子部１０ａを有しており、矩形状端子板電極８ｂは、リード端子部１０ｂを有している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）をリード端子部側から見た側面図である。単位セル５の上面は、リード端子部１０ａを有している矩形状端子板電極８ａが、コの字型ガスケット１３ａによって固定されている。単位セル５の下面は、リード端子部１０ｂを有している矩形状端子板電極８ｂが、コの字型ガスケット１３ｂによって固定されている。

本発明の電気二重層キャパシタは、図４に示したように単位セル５と矩形状端子板電極８ａ,８ｂがコの字型ガスケット１３ａ,１３ｂによって位置決め固定された後に、従来の電気二重層キャパシタと同様に外装フィルムにて覆って作製する。

次に、本発明の電気二重層キャパシタの実施例と比較例として従来の電気二重層キャパシタとを作製した結果について説明する。

はじめに、図１（ｂ）に示した単位セル５を作製した。まず、集電体３は、導電性オレフィン共重合体からなり、外形寸法は１６×２８×０．０２５ｍｍとした。ガスケット４の材質はエチレン−メタクリル酸共重合体を用いた。ガスケット４ｃは厚み０．０４ｍｍ、外形寸法は１８×３０ｍｍであり、内形寸法は集電体３の外形寸法に合わせたフレーム形状に加工した。

電極１を形成するためのスラリーは、平均粒径１５μｍ粉末椰子殻活性炭、平均粒径１５μｍの非球状カーボン、繊維径１０〜２０μｍの繊維状カーボンからなる混合物であり、この混合物の組成比は、７５：１０：１０：５の割合で形成した。このスラリーをガスケット４ｃの内側の集電体３上に塗布、乾燥させて電極１を形成した。電極１の外形寸法は１２×２４×０．０２ｍｍとした。

電極１の周縁部に、ガスケット４ａを形成した。ガスケット４ａは、ガスケット４ｃと同様に外形寸法は１８×３０ｍｍであり、内形寸法は電極１の外形寸法に合わせたフレーム形状に加工した。この工程で電極１と集電体３とガスケット４ｃ、４ａからなるシートを２枚作製した。

次に、電極１と集電体３とガスケット４ｃ，４ａからなるシート１枚にガスケット４ｂを熱圧着により貼り合わせた。ガスケット４ｂは、ガスケット４ａ、４ｃと同様に外形寸法は１８×３０ｍｍであり、内形寸法はセパレータ２の外形寸法に合わせたフレーム形状に加工した。セパレータ２は、ポリテトラフルオロエチレン系繊維からなり、外形寸法は１４×２６×０．０２５ｍｍとしてガスケット４ｂ内に配置した。

ここで、電極１を形成するためのスラリーに、４０ｗｔ％硫酸水溶液を添加した。セパレータ２に、この硫酸水溶液添加スラリーを塗布し、先に作製した電極１と集電体３とガスケーケット４ｃ，４ａからなるシート１枚を、集電体３が外側になるように貼り合わせ、ガスケット４ａと４ｂを熱圧着させ、単位セル５を形成した。

単位セル５を６枚重ね合わせて図２に示したキャパシタ素子６を構成した。キャパシタ素子６の上面と下面に厚さ０．０５ｍｍのコの字型ガスケット１３ａ，１３ｂを熱圧着させた。材質はガスケット４と同じくエチレン−メタクリル酸共重合体を用いた。次に厚さ０．１ｍｍの銅製の矩形状端子板電極８ａ，８ｂをコの字型ガスケット１３ａ，１３ｂにて位置決め固定した。

その外側から外装フィルム９ａ，９ｂを配置し、減圧下で外装フィルム９ａ，９ｂの重なった部分を熱融着して、本発明の電気二重層キャパシタを作製した。ここで外装フィルム９ａ，９ｂは、厚さ０．１１ｍｍのラミネートフィルムを用いた。

次に、比較例として従来の電気二重層キャパシタを作製した。先に説明した工程と同様に図６に示したキャパシタ素子６を作製した。キャパシタ素子６の上面と下面に０．０１ｍｍの厚さで導電性オレフィン共重合体を１％含有した銀ペーストからなる導電性ペースト７ａ，７ｂを施して厚さ０．１ｍｍの銅製の矩形状端子板電極８ａ，８ｂを図６のように重ねあわせた。その外側から先に説明した工程と同様に図６に示した外装フィルム９ａ，９ｂを熱融着した。

以上の方法で本発明の電気二重層キャパシタ（本発明品）と従来の電気二重層キャパシタ（比較例）をそれぞれ５００個作製した。

本発明の効果を実証するため、等価直列抵抗（ＥＳＲ）特性検査を実施し、その結果を表１に示す。

表１から、本発明品はＥＳＲ不良率が０％、比較品は２．６０％となり不良率を改善できることを確認した。

本発明による電気二重層キャパシタの単位セルにコの字型ガスケットを追加した説明図。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ断面図 本発明の電気二重層キャパシタの断面を示す模式図。 本発明の電気二重層キャパシタの分解図。図３（ａ）は、単位セルにコの字型ガスケットを接続した形態を上面から見た平面図。図３（ｂ）は、矩形状端子板電極の平面図。図３（ｃ）は、矩形状端子板電極にコの字型ガスケットが接続された単位セルを設置した形態の側面図。 本発明の電気二重層キャパシタの構成図。図４（ａ）は、平面図。図４（ｂ）は側面図。 従来の電気二重層キャパシタの単位セルの説明図。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢＢ断面図。 従来の電気二重層キャパシタの断面を示す模式図。 従来の電気二重層キャパシタの分解図。図７（ａ）は、単位セルの平面図。図７（ｂ）は、矩形状端子板電極の平面図。図７（ｃ）は、矩形状端子板電極に単位セルを設置した形態の側面図。

符号の説明

１ 電極
２ セパレータ
３ 集電体
４，４ａ，４ｂ，４ｃ ガスケット
５ 単位セル
６ キャパシタ素子
７ａ，７ｂ 導電性ペースト
８ａ，８ｂ 矩形状端子板電極
９ａ，９ｂ 外装フィルム
１０ａ，１０ｂ リード端子部
１１ 従来の電気二重層キャパシタ
１２ａ，１２ｂ 素子固定用爪
１３ａ，１３ｂ コの字型ガスケット
１４ 本発明の電気二重層キャパシタ
１５ａ，１５ｂ リード

Claims (1)

1. 集電体と、周縁部に位置するガスケットにより、セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の電極を収納する単位セルが単数または複数積層されたキャパシタ素子の上下に、１側面にリード端子部を有する矩形状端子板電極が配置され、前記矩形状端子板電極のリード端子部を有する１側面を除く３側面にコの字型ガスケットが配置され、前記キャパシタ素子と前記矩形状端子板電極が前記コの字型ガスケットで位置決めされ、外装フィルムで固定されたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。

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