JP2009188115A

JP2009188115A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2009188115A
Application number: JP2008025448A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamada; 良昭山田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】集電極の内部抵抗を効果的に低減する。
【解決手段】電極層３５が形成される集電極３４上の四角形平面を電極面Ａとして、これを複数の仮想領域に区分し、リード３７の結束される部位３８と各仮想領域との距離を総和する値が、電極面Ａの面積を変えることなく、最小となるよう、電極面Ａの縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂを設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、電気二重層キャパシタの改良に関する。

近年、各種の蓄電装置（電動自動車の駆動電源など）として急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタの適用技術が注目される。

図１２は、従来の電気二重層キャパシタについて、その構成を例示するものである（特許文献１）。キャパシタ本体２０は、四角形の平板状に形成される正極用の集電極と、この集電極上に形成される正極用の電極層と、四角形の平板状に形成される負極用の集電極と、この集電極上に形成される負極用の電極層と、正極用の電極層と負極用の電極層との間を絶縁するセパレータと、から積層体に構成される。

集電極は、金属箔（例えば、アルミニウム箔）から形成される。電極層は、活性炭などから形成される。セパレータは、紙や樹脂などの多孔質膜から形成される。集電極の一辺の中央から片側へ寄せて電極層から露出する凸部としてリード２１が形成され、これらの同極同士の重なり合う結束部に極性の対応する端子の一端側が接続される。１０は容器（外装体）であり、積層体２０を電解液と共に収容して１対の端子の他端側が外部へ突き出る状態に密封される。

電荷は、電極層（活性炭電極）に貯まり、電気の出し入れは、集電極およびこれを端子に接続するリード２１ａ，２１ｂを介して行われる。リード２１は、集電極の一辺の長さより小さい一辺を持つ平面四角形に形成され、電流が幅の狭いリード２１に集中するため、この部分の内部抵抗が大きくなってしまう。このため、集電極の四角形の一辺に沿う帯状部分を残して集電極上に電極層を形成するようにしたものがある（特許文献２）。集電極の一辺に電極層から露出する帯状部分が形成され、これをリードとして用いることにより、この部分の内部抵抗が低減できるのである。
特許第３９１００２１号特開平１１−２７４００４号

この発明は、このような従来例を踏まえつつ、集電極の内部抵抗をさらに低減するための有効な手段の提供を目的とする。

第１の発明は、四角形の平板状に形成される正極用の集電極と、この集電極上に形成される正極用の電極層と、四角形の平板状に形成される負極用の集電極と、この集電極上に形成される負極用の電極層と、正極用の電極層と負極用の電極層との間を絶縁するセパレータと、から積層体を構成し、各集電極の一辺に電極層から露出する凸部として形成されるリードの同極同士が重なり合う結束部に極性の対応する端子の一端側を接続し、積層体を電解液と共に収容する外装体を各端子の他端側が外部へ突き出る状態に密封して構成される、電気二重層キャパシタにおいて、前記電極層が形成される集電極上の四角形平面を電極面として、これを複数の仮想領域に区分し、前記リードの結束される部位と各仮想領域との距離を総和する値が、電極面の面積を変えることなく、最小となるように電極面の縦／横の寸法比率を設定したことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、前記電極面は、縦／横の寸法比率が１．０未満かつ０．２５を超える範囲の長方形に設定したことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、前記電極面は、縦／横の寸法比率が約０．５の長方形に設定したことを特徴する。

第４の発明は、第１の発明〜第３の発明の何れか１つに係る電気二重層キャパシタにおいて、前記リードは、その結束される部位を頂部としてその裾が集電極の一辺の両端に広がる山形状に設定したことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、前記リードの頂部は、集電極の一辺の中央から片側へ寄せて設定したことを特徴とする。

第１の発明〜第５の発明においては、リードの結束される部位と任意の仮想領域との距離は、その間の導体の電気抵抗に比例するものと考えられる。そのため、リードの結束される部位と各仮想領域との距離を総和する値が、電極面の面積を変えることなく、最小となるよう、電極面の縦／横の寸法比率を設定することにより、所要の静電容量を確保しつつ、集電極の内部抵抗を低減できることになる。

縦／横の寸法比率は、１．０未満かつ０．２５を超える範囲のとき、その範囲から外れる場合に較べると、リードの結束される部位と各仮想領域との距離を総和する値が小さくなる。また、リードの結束される部位と各仮想領域との距離を総和する値が最小値となるのは、縦／横の寸法比率が、約０．５のときである。従って、電極面は、縦／横の寸法比率が、１．０未満かつ０．２５を超える範囲の長方形に設定することが望ましく、約０．５の長方形が最適な設定と考えられる。

リードは、その結束される部位を頂部としてその裾が集電極の一辺の両端に広がる山形状に設定することにより、集電極および電極層の持つ内部抵抗の低減を確保しつつ、材料の節約が図れる。また、リードは、集電極の一辺の中央から片側へ寄せて形成すると、電極面の片側の辺に正極用の集電極のリードと負極用の集電極のリードとを２列に整列させることが可能となり、電極面の対向する両辺にリードを１列ずつ配置する場合に較べると、リードの結束される部位と各仮想領域との距離を総和する値が小さくなるという効果も想定しえる。

図１〜図３において、電気二重層キャパシタの一例を説明する。３１はキャパシタ本体３０を電解液と共に収容する容器（外装体）であり、１対の端子３２が外部へ引き出される。各端子３２ａ，３２ｂは、軽量かつ電気抵抗の小さい金属（例えば、アルミニウム）から短尺状に形成される。

キャパシタ本体３０については、正極用の集電極３４ａと負極用の集電極３４ｂと、正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂと、正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂとの間を電気的に絶縁するセパレータ３６と、から積層体に構成される。各集電極３４は、四角形の金属箔（例えば、アルミニウム箔）からなり、その両面（または片面）に電極層３５が重なり合うように配置される。各電極層３５は、活性炭などからなり、集電極３４の四角形平面上に密着するように形成される。

各集電極３４の一辺に電極層３５（活性炭電極）から露出する凸部としてリード３７が一体に形成され、各リード３７ａ，３７ｂの同極同士が束ねられ、これらの重なり合う結束部に極性の対応する端子３２（３２ａ，３２ｂ）の一端側が接続（導通）される。図示の場合、リード３７は、その結束される部位が集電極３４の一辺の片側へ寄せられ、この部位を頂部としてその両裾が集電極３４の一辺の両端（角部）に広がる山形状に形成される。

集電極３４は、正極用が表、負極用が裏、と互い違いに反転させることにより、正極用のリード３７ａの結束される部位３８（図２、参照）が電極層３５の一辺の片側を積層方向へ１列に並び、負極用のリード３７ｂの結束される部位３８がその反対側を積層方向へ１列に並ぶ状態の積層体に組み上げられる。正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂとの間を絶縁するセパレータ３６については、リード３４の山形状が裾の部分で正極用と負極用とがオーバラップするため、これらの短絡を防止する領域を持つ大きさ（面積）の平面四角形に設定される（図３、参照）。

容器３１は、金属の中間層を含む樹脂の積層フィルムから加工される２つの容器部分（底側部分と蓋側部分と）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う凹部４０により、底側部分と蓋側部分との間に積層体３０の収容部が形成される。

積層体３０は、底側部分の内側に納められ、その上から蓋側部分が被せられる。凹部４０の周囲において、１対の端子３２の他端側が引き出される一辺を除く三辺がヒートシールされる。容器３１は、１対の端子３２が突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から内部へ電解液が注入される。その後、残りの開口可能な一辺がヒートシールされる。

このような電気二重層キャパシタにおいて、集電極の内部抵抗を低減するため、集電極上の電極層が形成される四角形平面を電極面Ａ（図２、参照）として、その縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂが設定される。

図４は、電極面の縦／横の寸法比率を設定する方法を説明するものである。図４において、電極面は、正方形に形成され、その一辺の中央に平面四角形のリード３７が一体に形成される。そして、電極面Ａは、複数の仮想領域として１６個の正方形領域に区分され、リード３７と端子との接続面（図２において、リード３７の結束される部位３８）の中心S0と各正方形領域の中心S1〜S16との距離（S0-S1〜S0-S16）を求め、これらの距離（S0-S1〜S0-S16）を総和する。導体の抵抗は、導体の長さに比例する。従って、総和値から、リード３７を含む集電極３４の内部抵抗を推定することができる。

例えば、図５の（a）〜(e)の電極面を想定する。(a)〜(e)は、電極面の面積が同一であり、１６個の正方形領域に区分される。(a)の電極面は、縦／横の寸法比率が１／１６、(b)の電極面は、縦横の寸法比率が２／８、(c)の電極面は、縦／横の寸法比率が４／４、(d)の電極面は、縦／横の寸法比率が８／２、(e)の電極面は、縦／横の寸法比率が１６／１、とする。これらの各電極面について、リード３７の結束される部位３８の中心と各正方形領域の中心との距離の総和値を求め、総和値が最小となる電極面の縦／横の寸法比率に集電極上の電極層が形成される四角形平面を設定するのである。

図１〜図３の電気二重層キャパシタについて、図５の（a）〜(e)の電極面を想定し、リード３７の結束される部位３８の幅を、「標準幅」，「２倍幅」，「３倍幅」と変え、各幅の電極面について、リード３７の結束される部位３８の中心と各正方形領域の中心との距離の総和値を求めると、図６のようになる。

図７は、集電極上の電極層が形成される電極面について、図６の結果を含め、集電極の抵抗特性をグラフに表したものであり、横軸は電極面Ａの縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂ、縦軸は電極面Ａが正方形の場合を基準（＝１）とした内部抵抗値（リード３７の結束される部位３８の中心と各正方形領域の中心との距離の総和値）の比、を示す。なお、各グラフは、電極面Ａの縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂを、図５の場合よりも細かく想定し、数多くの内部抵抗比を求め、これらを含めて作成したものである。

これらの結果から、電極面Ａは、リード３７の配置される辺を横として、縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂが、１未満かつ０．２５を超える範囲の長方形に設定すると、電極面Ａが正方形の場合を基準とした内部抵抗値の比が１未満となり、電極面Ａの面積を変えることなく、集電抵抗を低減できるものと推定される。最適には、縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂは、約０．５の長方形に設定すると良い。

図１〜図３においては、集電極３４のリード３７は、その同極同士が結束される部位３８を頂部として両裾が集電極３４の一辺の端（角）へ広がる山形状に形成され、集電極３４の一辺の両端の角に位置する仮想領域についても、その仮想領域の中心とリード３７の結束される部位３８の中心との間を結ぶ直線がリード３７上を通ることになる。言い換えれば、集電極３４の一辺の両端の角に位置する仮想領域の中心とリード３７の結束される部位３８の中心との間を結ぶ直線を含み、かつ、これと平行な傾斜を持って広がる山形状にリード３７を形成することにより、この部分の内部抵抗を低減できるものと想定される。

図８〜図１０は、別の実施形態に係る電気二重層キャパシタを説明するものであり、キャパシタ本体３０は、正極用の集電極３４ａと負極用の集電極３４ｂと、正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂと、正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂとの間を電気的に絶縁するセパレータ３６と、から積層体に構成される。各集電極３４は、四角形の金属箔（例えば、アルミニウム箔）からなり、その両面（または片面）に電極層３５が重なり合うように配置される。各電極層３５は、活性炭などからなり、集電極３４の四角形平面上に密着するように形成される。

各集電極３４の一辺に電極層３５（活性炭電極）から露出する凸部として幅の広いリード３７が一体に形成され、各リード３７の同極同士が束ねられ、これらの重なり合う結束部に極性の対応する端子３２の一端側が接続（導通）される。図示の場合、リード３７は、その結束される部位３８が集電極３４の一辺の中央に配置され、この部位を頂部としてその両裾が集電極３４の一辺の両端（角部）に広がる山形状に形成される。

集電極３４は、上下を互い違いに反転させることにより、正極用のリード３７ａが電極層３５の一辺側を積層方向へ１列に重なり、負極用のリード３７ｂがその反対の一辺側を積層方向へ１列に重なる状態の積層体に組み上げられる。正極用の電極層３５ａと負極用の電極層３５ｂとの間を絶縁するセパレータ３６については、リード３７の正極用と負極用との短絡を防止する領域が必要なく、電極層３５の周囲に余白を持つだけの大きさ（面積）の平面四角形に設定される。

積層体３０は、底側部分の内側に納められ、その上から蓋側部分が被せられる。凹部４０の周囲において、１対の端子３２の他端側が互いに反対側へ引き出され、図示上方側の端子３２ａが突き出る一辺を除く三辺がヒートシールされる。容器３１は、図示上方の端子３２ａが突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から内部へ電解液が注入される。その後、残りの開口可能な一辺がヒートシールされる。

このような電気二重層キャパシタにおいても、集電極３４の内部抵抗を低減するため、集電極３４上の電極層３５が形成される四角形平面を電極面Ａ’として、これを複数の仮想領域に区分し、リード３７の結束される部位３８と各仮想領域との距離を総和する値が、最小となるよう、電極面Ａ’の縦／横の寸法比率Ｈ／Ｂを設定する。

図１〜図３のリード３７に較べると、リード３７の結束される部位３８が集電極３４の一辺に沿って幅広く形成され、集電極３４の内部抵抗は、図７のグラフからも明かなように大きく低減できるものとなる。

なお、リード３７の形状およびその結束される部位３８の幅が同一という条件においては、図１〜図３のようにリード３７の結束される部位が集電極３４の一辺の片側へ寄せて配置される（１対の端子３２が容器３１の一側に配置される）場合の内部抵抗比と、図８〜図１０のようにリード３７の結束される部位３８が集電極３４の一辺の中央に配置される（１対の端子３２が容器３１の二辺に配置される）場合の内部抵抗比と、を比較すると、図１１のグラフのようになり、図１〜図３のような場合の内部抵抗比の方が相対的に小さくなるが、図７および図１１のグラフを合わせて考えると、図８〜図１０に示す実施形態においても、Ｈ／Ｂ最適化と併せて端子幅を広くすることで総合的に内部抵抗を小さくすることができる。従って、電極面は、図７のグラフおよび図１１のグラフに基づくと共に、パッケージや設定レイアウト等を含め、総合的にリード３７を含む集電極３４の形状を最適化することが適切である。

この発明は、電気二重層キャパシタに限定されるものでなく、類似のセル構造（集電極と電極層とセパレータとから構成される積層体）を持つ電気化学素子への適用も可能である。

電気二重層キャパシタの構成に関する説明図である。集電極の構成を説明する正面図である。集電極とセパレータとの関係を表す説明図である。電極面の設定に関する説明図である。電極面の設定に関する説明図である。集電極の内部抵抗比を例示する表である。集電極の抵抗特性を例示するグラフである。別の電気二重層キャパシタの構成に関する説明図である。集電極の構成を説明する正面図である。集電極とセパレータとの関係を表す説明図である。集電極の抵抗特性を例示するグラフである。従来技術の説明図である。

符号の説明

３０キャパシタ本体
３１容器
３２端子
３４集電極
３５電極層
３６セパレータ
３７リード

Claims

四角形の平板状に形成される正極用の集電極と、この集電極上に形成される正極用の電極層と、四角形の平板状に形成される負極用の集電極と、この集電極上に形成される負極用の電極層と、正極用の電極層と負極用の電極層との間を絶縁するセパレータと、から積層体を構成し、各集電極の一辺に電極層から露出する凸部として形成されるリードの同極同士が重なり合う結束部に極性の対応する端子の一端側を接続し、積層体を電解液と共に収容する外装体を各端子の他端側が外部へ突き出る状態に密封して構成される、電気二重層キャパシタにおいて、前記電極層が形成される集電極上の四角形平面を電極面として、これを複数の領域に区分し、前記リードの結束部と各仮想領域との距離を総和する値が、電極面の面積を変えることなく、最小となるように電極面の縦／横の寸法比率を設定したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
前記電極面は、縦／横の寸法比率が１．０未満かつ０．２５を超える範囲の長方形に設定したことを特徴とする請求項１に係る電気二重層キャパシタ。
前記電極面は、縦／横の寸法比率が約０．５の長方形に設定したことを特徴する請求項２に係る電気二重層キャパシタ。
前記リードは、その結束される部位を頂部としてその裾が集電極の一辺の両端に広がる山形状に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに係る電気二重層キャパシタ。
前記リードの頂部は、集電極の一辺の中央から片側へ寄せて設定したことを特徴とする請求項４に係る電気二重層キャパシタ。