JP2009295789A

JP2009295789A - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP2009295789A
Application number: JP2008147965A
Authority: JP
Inventors: Satoru Itabashi; 悟板橋
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】扁平型においてセパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流を抑制し、正負の電極を片側から引き出すことが可能な電気二重層キャパシタを提供する。
【解決手段】巻芯２の横断面の形状は扁平形状であり、上記横断面に垂直に引き出し電極３が貫通して挿入され、引き出し電極３は巻芯２の両端から突き出ており、上記横断面に垂直に埋め込み電極１０が埋め込まれ、電極露出部１０ａは巻芯２の一端から突き出ており、正極１４及び負極１２の、上記横断面に垂直な方向の長さは、巻芯２の、上記横断面に垂直な方向の長さより長く、セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４がこの順番に積層されて巻芯２に巻き回され、正極接続部１４ａは、電極露出部１０ａと巻芯２の一端において接続され、負極接続部１２ａは、電極露出部３ｂと巻芯２の他端において接続されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻き回型でかつ扁平形状に整形した扁平型の電気二重層キャパシタに関するものである。

電気二重層キャパシタは、大別して巻き回型と積層型に分けられ、一部、巻き回型でかつ扁平形状に整形した扁平型がある。

巻き回型は、電気二重層の電極とセパレーターとを円筒状に巻き回するため、生産性に優れていが、電気二重層キャパシタでは、電極の面圧を一定以上に上げることで性能の安定化が計れる。このため、面圧が低く、かつ電極引き出し部分の面積を多くとることが出来ない巻き回型では、抵抗値が高くなるという欠点がある。

一方、積層型は平板電極を積層してキャパシタ素子を構成するため、面圧をかけ易く、かつ電極引き出し部分の面積を多く取ることが出来るので、低抵抗化に優れている。

これらの特徴から、巻き回型は高抵抗・大容量用途、積層型は低抵抗・大出力用途へと長所を活かした使い方をされているが、両者の構造を合わせた構造として扁平型がある。

電気二重層キャパシタに関して、特許文献１では、内部抵抗の低減が図られた電気二重層キャパシタの製造方法が開示されている。また、特許文献２では、製造時間が短く容量密度の高い電気二重層キャパシタが開示されている。さらに、特許文献３では、電気二重層キャパシタを複数積層させたキャパシタ積層体を備えるエネルギー貯蔵素子が開示されている。さらに、特許文献４では、再現性良く安定した内部抵抗の低減を得る構造を有したコンデンサが開示されている。さらに、特許文献５では、静電容量を大きくし、急速充電性が優れた電気二重層キャパシタが開示されている。さらに、特許文献６では、引出導体における抵抗損失が小さく、引出導体接合による強度低下のない電気二重層コンデンサが開示されている。

なお、積層型の電気二重層キャパシタと同様に電極板を備えるコンデンサの製造方法として、特許文献７では、信頼性、性能を改善し、かつ製作コストの低減も計った小容量プラスチックコンデンサーの製造方法が開示されている。
特開２００６−５４２５３号公報（２００６年２月２３日公開）特開２０００−１８８２３６号公報（２０００年７月４日公開）特開２０００−１１４１２２号公報（２０００年４月２１日公開）特開２０００−２４３６６９号公報（２０００年９月８日公開）特開平３−２０３３１１号公報（平成３年９月５日公開）特許第２７５７５７３号（平成１０年３月１３日登録）特開昭５８−１４５１１２号公報（昭和５８年８月２９日公開）

電気二重層キャパシタでは、電極の面圧を一定以上に上げることで性能の安定化が計れる。巻き回型は、面圧が低く、かつ電極の引き出し部分を多くとることが出来ず、抵抗値が高くなるという欠点がある。

また、積層型は、例えば特許文献１に示すように、キャパシタ素子をケースに収納し、上記キャパシタ素子に電解液を含浸し、膨潤によって電極に所定の面圧を加えることにより、低抵抗を達成しているが、製造が困難であるという欠点を有している。

さらに、扁平型については、扁平化した際のＲ（Radius：半径）部分において、機械的強度の弱いセパレーターに伸びや折れ等の機械的クラックが生じ、上記セパレーターを損傷させる虞がある。セパレーターが損傷すると、自己放電不良が発生し、漏れ電流が増大する結果、電力損失も増大する。このため、セパレーターを厚くしたり、セパレーターを２枚以上重ねたりして、Ｒ部分のセパレーターにおける漏れ電流を抑制することが必要であり、セパレーターの厚みが増すことで抵抗値が高くなるという欠点を有している。さらに、巻き回型でかつ扁平形状に整形した扁平型については、扁平化した際に電極の材料であるアルミニウムにしわが残るという欠点も有している。

そして、電極引き出し部分に関して、巻き回型では両側に電極を引き出すことで、電極引き出し部分の面積を広くすることが可能であるが、デッドスペースが増えるという欠点を有している。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、扁平型の欠点である、扁平型においてセパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流を抑制し、正負の電極を片側から引き出すことが可能な電気二重層キャパシタを提供する事にある。

本発明の電気二重層キャパシタは、上記課題を解決するために、第１電極及び第２電極並びに第１セパレーター及び第２セパレーターが扁平形状に、巻き回された電気二重層キャパシタにおいて、巻芯を備え、上記巻芯の横断面の形状は上記扁平形状であり、上記横断面に垂直に引き出しリードが貫通して挿入され、該引き出しリードは上記巻芯の両端から突き出ており、上記横断面に垂直に埋め込みリードが埋め込まれ、該埋め込みリードの一端は上記巻芯の一端から突き出ており、上記第１電極及び上記第２電極の、上記横断面に垂直な方向の長さは、上記巻芯の、上記横断面に垂直な方向の長さより長く、上記第１セパレーター、上記第２電極、上記第２セパレーター及び上記第１電極がこの順番に積層されて上記巻芯に巻き回され、上記第１電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記埋め込みリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の一端において接続され、上記第２電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記引き出しリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の他端において接続されていることを特徴とする。

上記発明によれば、巻き回型の電気二重層キャパシタと同様に、上記第１セパレーター、上記第１電極、上記第２セパレーター及び上記第２電極を積層して上記巻芯に巻き回すので、各電極及び各セパレーターの加工が不要であり、巻き回しても各セパレーターが損傷することは無い。よって、上記第１セパレーター及び上記第２セパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流の抑制が可能である。

また、デッドスペースである上記巻芯の内部に、上記引き出しリード及び上記埋め込みリードを設けているので、デッドスペースが少なくすることが可能である。

さらに、上記第１電極と接続されている上記埋め込みリードの、上記巻芯の一端から突き出た部分と、上記第２電極と接続されている上記引き出しリードの、上記巻芯の一端から突き出た部分とは、上記巻芯の一端において集約されている。従って、電極の引き出し方向を片側に集約出来るので、デッドスペースが少なく省スペース化が図られた電気二重層キャパシタが実現出来る。

さらに、積層型の電気二重層キャパシタよりも製造が容易であり、巻き回型の電気二重層キャパシタと同様の生産効率により安価で生産が可能となる。

さらに、積層型の電気二重層キャパシタと同様に、扁平部分で面圧を加えることで特性の安定化を図ることが出来、低抵抗が実現できる。

従って、巻き回型の生産性と積層型の特徴である低抵抗・高出力とを併せ持つ電気二重層キャパシタを実現出来る。

上記電気二重層キャパシタでは、上記引き出しリード及び上記埋め込みリードの形状は、板状であってもよい。

これにより、上記第１電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分と、上記埋め込みリードの上記巻芯から突き出た部分との接触面積が広くなるので、上記電気二重層キャパシタの低抵抗化が実現出来、より強固な接続が可能となる。

また、上記第２電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分と、上記引き出しリードの上記巻芯から突き出た部分との接触面積が広くなるので、上記電気二重層キャパシタの低抵抗化が実現出来、より強固な接続が可能となる。

上記電気二重層キャパシタでは、上記接続は、超音波溶接またはカシメによる接続であってもよい。

これにより、上記第１電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分と、上記埋め込みリードの上記巻芯から突き出た部分との接続、及び上記第２電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分と、上記引き出しリードの上記巻芯から突き出た部分との接続がより強固となる。

上記電気二重層キャパシタでは、上記扁平形状は、２つの半円の２つの直径と、長方形の、上記直径と同じ長さの２つの短辺とをそれぞれ接合した形状であり、上記半円の半径が０．２５ミリメートル以上であってもよい。

これにより、上記第１セパレーター及び上記第２セパレーターを上記巻芯に巻き回した場合に、伸びや折れ等の機械的クラックが生じることが無い。従って、自己放電不良が発生せず、漏れ電流が増大しないので、電力損失の増大が防止出来る。

本発明の電気二重層キャパシタは、以上のように、巻芯を備え、上記巻芯の横断面の形状は扁平形状であり、上記横断面に垂直に引き出しリードが貫通して挿入され、該引き出しリードは上記巻芯の両端から突き出ており、上記横断面に垂直に埋め込みリードが埋め込まれ、該埋め込みリードの一端は上記巻芯の一端から突き出ており、第１電極及び第２電極の、上記横断面に垂直な方向の長さは、上記巻芯の、上記横断面に垂直な方向の長さより長く、上記第１セパレーター、上記第２電極、上記第２セパレーター及び上記第１電極がこの順番に積層されて上記巻芯に巻き回され、上記第１電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記埋め込みリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の一端において接続され、上記第２電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記引き出しリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の他端において接続されているものである。

それゆえ、扁平型においてセパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流を抑制し、正負の電極を片側から引き出すことが可能な電気二重層キャパシタを提供するという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。

図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタ１の製造工程を示す図である。

図１（ａ）は、巻芯２に電極を設ける工程を示す斜視図である。図１（ａ）において、巻芯２は扁平型であり、断面略扁平楕円状の柱状形状を有している。この巻芯２の第１電極面４には長穴状の穴５が形成されている。この穴５は巻芯２を第１電極面４から第２電極面６まで貫通している。引き出し電極３のＹ方向の長さＬ１は、巻芯２のＹ方向の長さＬ２よりも長く、第１電極面４から穴５に挿入され、第２電極面６から突き出る板状の引き出し電極３の両端は、巻芯２の外部に露出する。電極露出部３ａは、第１電極面４側の引き出し電極３の露出部であり、電極露出部３ｂは、第２電極面６側の引き出し電極３の露出部である。巻芯２の材料としては、ＰＰ（polypropylene：ポリプロピレン）等の耐電解液性の材料が用いられる。

電極露出部３ａの根元は、絶縁カバー８で覆われる。絶縁カバー８のＹ方向の長さＬ４は、電極露出部３ａのＹ方向の長さＬ３よりも短くされている。

巻芯２の第１電極面４には、長穴状の有底の穴９が穴５からＺ軸方向に所定の距離だけ離れた位置に形成されている。この穴９の深さ、即ちＹ方向の長さはＬ５であり、第２電極面６には達していない。穴９に、板状の埋め込み電極１０が埋め込まれる。埋め込み電極１０のＹ方向の長さＬ６は、穴９のＹ方向の長さはＬ５よりも長いので、埋め込み電極１０の一端は、電極露出部１０ａとして巻芯２の外部に露出する。電極露出部１０ａのＹ方向の長さは、電極露出部３ａのＹ方向の長さＬ３と同じ長さである。

図１（ｂ）は、巻芯２の平面図である。図１（ｂ）に示すように、巻芯２の横断面は、幅Ｗ、厚みＴの長方形の両端に、半径Ｒの半円を設けた形である。巻芯２の厚みＴは、巻芯２の端部に構成される半円の半径Ｒの２倍であり、０．５ｍｍ以上とする。また、半径Ｒは０．２５ｍｍ以上とする。

図１（ｃ）は、巻芯２に電極及びセパレーターを巻く工程を示す図である。図１（ｃ）に示すように、セパレーター１１は、送り出し機構１６によってセパレーターロール１７から継続して供給される。同様に、負極１２は、送り出し機構１８によって電極ロール１９から継続して供給され、セパレーター１３は、送り出し機構２０によってセパレーターロール２１から継続して供給され、正極１４は、送り出し機構２２によって電極ロール２３から継続して供給される。

なお、セパレーター１１及びセパレーター１３の材料として、例えば紙を用いるが、他の材料を用いても良い。また、負極１２及び正極１４の材料として、例えばアルミニウムを用いるが、他の材料を用いても良い。

次に、セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４の順で積層したものを、巻芯２とローラー１５とで挟む。これにより、図１（ｃ）においてＡ方向から見ると、ローラー１５、正極１４、セパレーター１３、負極１２、セパレーター１１及び巻芯２の順番となる。

そして、ローラー１５を固定し、巻芯２をローラー１５に押し付けながら回転させることにより、セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４を巻芯２に巻き回す。

あるいは、巻芯２を固定し、ローラー１５を巻芯２に押し付けながら回転させることにより、セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４巻芯２に巻き回してもよい。この場合は、電極ロール１９、２３、セパレーターロール１７、２１及び送り出し機構１６、１８、２０、２２をローラー１５と共に動かす。

図１（ｄ）は、図１（ｃ）をＡ方向から見た時の図である。セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４については、積層されている状態を示すため、Ｘ方向の長さを有限としているが、実際には上述したようにそれぞれのロールから継続して供給される。

正極１４のＹ方向の長さはＬ７であり、負極１２のＹ方向の長さはＬ８である。長さＬ７に関して、以下に示す（１）式が成立する。また、長さＬ８は、巻芯２のＹ方向の長さＬ２よりも長い。さらに、セパレーター１１及びセパレーター１３のＹ方向の長さはＬ２である。
Ｌ２＋Ｌ４≧Ｌ７＞Ｌ２（１）
正極接続部１４ａは、正極１４の斜線で示す部分、即ち正極１４の、巻芯２に巻き回されない部分である。同様に、負極接続部１２ａは、負極１２の斜線で示す部分、即ち負極１２の、巻芯２に巻き回されない部分である。

図１（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタ１の斜視図である。図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、セパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４を巻芯２に巻き回した後、正極溶接部２４、即ち正極接続部１４ａの電極露出部１０ａを挟む部分を、超音波溶接またはカシメにより接続し、正極１４と埋め込み電極１０とを接続する。これにより、電極露出部１０ａが正極１４の引き出し部分となる。

同様に、負極溶接部２５、即ち負極接続部１２ａの電極露出部３ｂを挟む部分を、超音波溶接またはカシメにより接続し、負極１２と引き出し電極３とを接続する。これにより、電極露出部３ａが負極１２の引き出し部分となる。

以上のように、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ１は、正極１４及び負極１２並びにセパレーター１１及びセパレーター１３が巻き回された電気二重層キャパシタにおいて、巻芯２を備え、巻芯２の横断面の形状は上記扁平形状であり、上記横断面に垂直に引き出し電極３が貫通して挿入され、引き出し電極３は巻芯２の両端から突き出ており、上記横断面に垂直に埋め込み電極１０が埋め込まれ、電極露出部１０ａは巻芯２の一端から突き出ており、正極１４及び負極１２の、上記横断面に垂直な方向の長さは、巻芯２の、上記横断面に垂直な方向の長さより長く、セパレーター１１、正極１４、セパレーター１３及び負極１２が積層されて巻芯２に巻き回され、正極接続部１４ａは、電極露出部１０ａと巻芯２の一端において接続され、負極接続部１２ａは、電極露出部３ｂと巻芯２の他端において接続されている。

上記構成によれば、巻き回型の電気二重層キャパシタと同様に、セパレーター１１、正極１４、セパレーター１３及び負極１２を積層して巻芯２に巻き回すので、各電極及び各セパレーターの加工が不要であり、巻き回しても各セパレーターが損傷することは無い。よって、上記第１セパレーター及び上記第２セパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流の抑制が可能である。

また、デッドスペースである巻芯２の内部に、引き出し電極３及び埋め込み電極１０を設けているので、デッドスペースが少なくすることが可能である。

さらに、正極接続部１４ａと接続されている電極露出部１０ａと、負極接続部１２と接続されている電極露出部３ａとは、巻芯２の一端において集約されており、電極の引き出し方向を片側に集約出来るので、デッドスペースが少なく省スペース化が図られた電気二重層キャパシタが実現出来る。

また、積層型の電気二重層キャパシタと同様に、扁平部分で面圧を加えることで特性の安定化を図ることが出来、低抵抗が実現できる。

電気二重層キャパシタ１では、引き出し電極３及び埋め込み電極１０の形状は、板状であってもよい。

これにより、正極溶接部２４と電極露出部１０ａとの接触面積が広くなるので、電気二重層キャパシタ１の低抵抗化が実現出来、より強固な接続が可能となる。

また、負極溶接部２５と電極露出部３ｂとの接触面積が広くなるので、電気二重層キャパシタ１の低抵抗化が実現出来、より強固な接続が可能となる。

電気二重層キャパシタ１では、上記接続は、超音波溶接またはカシメによる接続であってもよい。

これにより、正極溶接部２４と電極露出部１０ａとの接続、及び負極溶接部２５と電極露出部３ｂとの接続がより強固となる。

電気二重層キャパシタ１では、上記扁平形状は、２つの半円の２つの直径と、長方形の、上記直径と同じ長さの２つの短辺とをそれぞれ接合した形状であり、上記半円の半径Ｒが０．５ミリメートル以上であってもよい。

これにより、セパレーター１１及びセパレーター１３を巻芯２に巻き回した場合に、伸びや折れ等の機械的クラックが生じることが無い。従って、自己放電不良が発生せず、漏れ電流が増大しないので、電力損失の増大が防止出来る。

なお、本実施の形態において、引き出し電極３及び埋め込み電極１０を巻芯２に設けた後にセパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４を巻き回したが、これを逆にしても良い。即ちまずセパレーター１１、負極１２、セパレーター１３及び正極１４を巻芯２に巻き回し、その後に引き出し電極３を挿入し、埋め込み電極１０を埋め込んでも良い。

さらに、本実施の形態において、引き出し電極３及び埋め込み電極１０を板状としているが、棒状であってもよい。

さらに、本実施の形態において、正極１４と負極１２とを逆にし、電極露出部１０ａが負極１２の引き出し部分となり、電極露出部３ａが正極１４の引き出し部分となってもよい。

本発明の電気二重層キャパシタは、扁平型においてセパレーターの厚みを増すことなく漏れ電流を抑制し、正負の電極を片側から引き出すことが可能であるので、車を駆動する駆動用電源やセルに用いると好適である。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの製造工程を示す図であり、（ａ）は巻芯に電極を設ける工程を示す斜視図であり、（ｂ）は、上記巻芯の平面図であり、（ｃ）は上記巻芯に電極及びセパレーターを巻く工程を示す図であり、（ｄ）は（ｃ）をＡ方向から見た時の図であり、（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの斜視図である。

符号の説明

１電気二重層キャパシタ
２巻芯
３引き出し電極（引き出しリード）
３ａ、３ｂ電極露出部
４第１電極面
５、９穴
６第２電極面
８絶縁カバー
１０埋め込み電極（埋め込みリード）
１０ａ電極露出部
１１セパレーター（第１セパレーター）
１２負極（第２電極）
１２ａ負極接続部
１３セパレーター（第２セパレーター）
１４正極（第１電極）
１４ａ正極接続部
１５ローラー
１６、１８、２０、２２送り出し機構
１７、２１セパレーターロール
１９、２３電極ロール
２４正極溶接部
２５負極溶接部
Ｌ１〜Ｌ８長さ
Ｒ半径
Ｔ厚み
Ｗ幅

Claims

第１電極及び第２電極並びに第１セパレーター及び第２セパレーターが扁平形状に、巻き回された電気二重層キャパシタにおいて、
巻芯を備え、
上記巻芯の横断面の形状は上記扁平形状であり、
上記横断面に垂直に引き出しリードが貫通して挿入され、該引き出しリードは上記巻芯の両端から突き出ており、
上記横断面に垂直に埋め込みリードが埋め込まれ、該埋め込みリードの一端は上記巻芯の一端から突き出ており、
上記第１電極及び上記第２電極の、上記横断面に垂直な方向の長さは、上記巻芯の、上記横断面に垂直な方向の長さより長く、
上記第１セパレーター、上記第２電極、上記第２セパレーター及び上記第１電極がこの順番に積層されて上記巻芯に巻き回され、
上記第１電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記埋め込みリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の一端において接続され、
上記第２電極の、上記巻芯に巻き回されていない部分は、上記引き出しリードの上記巻芯から突き出た部分と上記巻芯の他端において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。
上記引き出しリード及び上記埋め込みリードの形状は、板状であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
上記接続は、超音波溶接またはカシメによる接続であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
上記扁平形状は、２つの半円の２つの直径と、長方形の、上記直径と同じ長さの２つの短辺とをそれぞれ接合した形状であり、
上記半円の半径が０．２５ミリメートル以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。