JP2010087319A - キャパシタモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部端子とブスバーとを超音波溶接で接合することで接触抵抗を低下させるとともに、高さ低下させるキャパシタモジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】一方の端面から両極の外部端子を導出したキャパシタと、前記導出した外部端子同士を電気的に接続するブスバーより構成されるキャパシタモジュールであって、外部端子の側面に、超音波溶接の際に外部端子を固定する溝を形成するとともに、平板状のブスバーが外部端子に超音波溶接により接続されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、キャパシタモジュールおよびその製造方法に関する。

電気二重層キャパシタに代表されるキャパシタは、大きな静電容量を有しており、無停電電源（ＵＰＳ）等に採用されている。しかし、大規模なＵＰＳには、静電容量が大きな電気二重層キャパシタといえども一本では、蓄積できる電荷が少なく、複数の電気二重層キャパシタを直列および／または並列に接続してモジュール化して使用されている。

このような大きな静電容量を有する電気二重層キャパシタの構成としては、集電体の両面に分極性電極層を形成した平板状の電極シートを正極シートおよび負極シートとして、これらをセパレータを介して巻回または交互に積層してキャパシタ素子を形成し、このキャパシタ素子をアルミニウム等からなる外装ケースに収納して、開口端部を封口部材によって封止した構成からなる電気二重層キャパシタが知られている。

このような電気二重層キャパシタをモジュール化する技術については、特許文献１および特許文献２が知られている。

上記の特許文献１および特許文献２に記載のモジュールは電気二重層キャパシタの外部端子をネジ切りしておき、ブスバーをネジの締め付けにより取付ける構成となっている。

特開２０００−１２３８３号公報 特開２００６−３１０４９０公報

ネジ端子による固定では、ネジによる機械的な接触により、導通が図られている。しかし、機械的な接触では、接触抵抗を０とすることはできない。一方で、例えば、電気二重層キャパシタは一本あたりの耐電圧は２．３Ｖ〜数Ｖ程度と耐電圧が低い。このため、外部端子とブスバーとの接触部位における接触抵抗の影響が大きなものとなる。

そこで、外部端子とブスバーの接触抵抗を低減することがキャパシタモジュールの蓄積電荷を向上させるための重要な要素となる。

このような観点からは、ブスバーを外部端子に超音波溶接によって接合することで、高さ寸法の低減と接触抵抗の低減を、図ることが期待される。

しかし、超音波溶接にも課題がないわけではない。例えば、超音波溶接によって、外部端子にブスバーを溶接しようとする場合には、外部端子の上にブスバーを搭載し、超音波溶接のためのホーンを当接させて超音波溶接を行うことになるが、この超音波振動のエネルギーが逃げて、適切な接合ができない場合がある。

これは、キャパシタの構造として、外装ケースの開口部に封口部材を挿入して加締める構成を採用しているため、外装ケースと内面と封口部材の間には僅かながらも隙間が存在し、超音波溶接のホーンから加えられる横方向の振動に対しては、封口部材が外装ケースに内部で横方向に振動してしまい、超音波振動のエネルギーが封口部材の外部端子とブスバーに充分に伝わらないためと考えられる。

また、超音波溶接時の振動ストレスが、キャパシタ素子に伝わることで、キャパシタの内部抵抗の増加等の電気的特性への悪影響を及ぼす場合もあった。

そこで、この発明は、外部端子とブスバーとを超音波溶接で接合することで接触抵抗を低下させるとともに、高さ低下させるキャパシタモジュールおよびその製造方法を提供することにある。

前記の課題を解決すべく、本発明の第一の規定にあるキャパシタモジュールは、一方の端面から両極の外部端子を導出したキャパシタと、前記導出した外部端子同士を電気的に接続するブスバーより構成されるキャパシタモジュールであって、外部端子の側面に、超音波溶接の際に外部端子を固定する溝を形成するとともに、平板状のブスバーが外部端子に超音波溶接により接続されている。さらに、超音波溶接したキャパシタモジュールを保持部材にて保持固定する。

本発明の第二の規定にある製造方法は、一方の端面から両極の外部端子を導出したキャパシタと、前記導出した外部端子同士を電気的に接続するブスバーより構成されるキャパシタモジュールの製造方法であって、外部端子の側面に、超音波溶接の際に外部端子を固定する溝を形成し、該溝を把持して固定するチャッキング部材で保持固定しながら、平板状のブスバーが外部端子に超音波溶接により接続する。

本発明に示されるように、外部端子とブスバーを超音波溶接することで、外部端子とブスバーの接触抵抗の少ないキャパシタモジュールを実現できる。このことで、個々のキャパシタの接触抵抗による電圧降下を防止することができ、キャパシタモジュール全体での蓄積エネルギーを効率よく活用することができる。

また、全体を保持部材で補強することで、外部端子とブスバーの接触部位に加わる機械的ストレスを軽減することができる。

本発明に係るキャパシタモジュールを形成するキャパシタの構成について図１乃至図４を用いて説明する。

電気二重層キャパシタの構造の概略としては図２に示すように、正極シート１１と負極シート１２をセパレータ１３を介して交互に積層したキャパシタ素子１を、金属製の外装ケース２に収納し、外装ケースの開口端部を封口部材３にて封止した構造となっている。

以下では、この発明の電気二重層キャパシタの製造方法について順次説明する。

正極シート１１及び負極シート１２は、第２図に示すように、集電体１３の両側に活性炭を主成分とする分極性電極層１４，１４を形成した平板状の電極シートである。なお、キャパシタ素子の最外部に配置される電極は内側となる面にのみ分極性電極層１４を形成したものであっても良い。

正極シート１１及び負極シート１２は、活性炭と、導電性助剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン粉末とを湿式、または乾式で混練して混練物を得、この混練物を集電体１３に塗布して、乾燥することにより混練物を固化して集電体１３上に分極性電極層１４，１４を形成したものである。さらに、圧延ロールにて分極性電極層１４，１４を所定厚さとなるようにプレスしても良い。

上記のような工程以外にも、混練物をシート状に形成して乾燥し、このシートを集電体に導電性接着剤によって貼り付けて分極性電極を作製してもよい。この場合、シートの状態で圧延ロールにて所定厚さにしても良く、シートを集電体に貼り付けた後に圧延ロールにて所定厚さとしてもよい。

集電体１３は金属より、金属箔、メッシュ等を用いることができるが、電解液に対する耐腐食性や、集電体自体の導電性、さらには集電体の機械的強度の観点から、４０μｍ程度の厚さのアルミニウム箔を好適に用いることができる。なお、アルミニウム箔を用いる場合には、その表面をエッチング処理により微細な凹凸を形成しておくと良い。表面に微細な凹凸があると、混練物を集電体に塗布した際、あるいは集電体に導電性接着剤を塗布した際の塗れ性がよくなり、分極性電極層との密着強度が強いものとなる。

また、集電体１３には、予め外部引出用のタブ１５が接続されている。このタブ１５は集電体１３の一辺部から集電体１３の一部を突出させたものである。なお、タブ１５は集電体１３とは別の部材をコールドウェルト法、超音波溶接法等によって集電体に接続したものであっても良い。

これらの正極シート１１、負極シート１２は第３図に示すようにセパレータ１６を間に介在させて複数の正極シート１１と負極シート１２とが交互に積層され、積層体を形成する。セパレータ１６としては、ポリプロピレン不織布などを用いることができる。この際、正極のタブ同士、負極のタブ同士が重なりあうように積層する。

また、これらの積層体の外周には巻き止めテープ１７が周回されて、積層体がほぐれないように固定される。

次にキャパシタ素子から導出したタブと封口部材３の外部端子２１とを電気的に接合する。封口部材３は硬質樹脂からなり、金属製の外部端子２１，２１が貫通するように埋設されたものである。タブ１５と外部端子２１の接続方法は特に限定はないが、複数のタブを重ね合わせて、接続リードの一端部を取り付け、この接続リードの他端部を外部端子の内部側端部に接続する方法を採ることができる。

そして、封口部材３と接続したキャパシタ素子１を外装ケース３中に収納する。外装ケース３は角柱状のもので、一方の端部が開口している。外装ケース３の材質としてはアルミニウムやアルミニウム合金を用いることができる。なお、側面の機械的強度を強いものとするために、内部側より外部側に突出するようなリブを設けておいても良い。

そして、図１（ａ）に示すように、外装ケース３にキャパシタ素子１を収納する。その後に、図１（ｂ）に示すように外装ケース１８の中に電解液４を注入し、電解液をキャパシタ素子１に含浸させる。なお、図１中ではキャパシタ素子１のタブを省略して描いている。

ここで用いられる電解液は、第４級アンモニウムイオン等のカチオンと、ＢＦ_４ ⁻，ＰＦ_６ ⁻，ＣｌＯ_４ ⁻，ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻などのアニオンからなる溶質と、プロピレンカーボネート、１−ブチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性溶媒からなる有機電解液が好適である。そして、図１（ｄ）に示すように、外装ケースの開口端部を封口部材に
て封口することにより電気二重層キャパシタを完成する。

この封口部材は樹脂に円筒形の外部端子が埋設されており、外部端子の外部側に切り溝が形成されている。

続いて前記構成の電気二重層キャパシタを連結して形成するモジュール化について図５乃至図７を用いて説明する。

図５に本発明に用いるキャパシタの封口部材３の側面図が示されており、この側面図が示すように封口部材３は２本の外部端子２１，２１が埋設されており、この外部端子２１，２１の外部側に露出した側面には溝２８が形成されている。また、外部端子２１の頭部３０の平坦に形成されている。

続いて図７に、本発明に係るモジュールを用いて複数のキャパシタを連結するキャパシタモジュールの構成図を示す。

外部端子２１の外部に露出した側面に形成した溝２８に、チャッキング部材３２をはめ込んで外部端子２１を固定する。この状態で外部端子２１の頭部３０にブスバー３４を当接させ、さらに超音波溶接のための溶接ホーン３６を押し付けて超音波溶接を行う。外部端子２１に頭部３０は平坦に形成されているために、ブスバーとの接触面積が大きくなり、超音波溶接したときの接触面積が大きくなり、接続強度が向上する。

このチャッキング部材３２によって、溶接ホーン３６の押圧による圧力を受け止めるとともに、溶接ホーン３６の振動による横揺れを防止して、外部端子２１とブスバー３４の超音波溶接を行うことができる。

ブスバー３４としては、厚さ０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のアルミニウム平角線を用いることができる。

なお、以上の工程によってキャパシタモジュールが得られるが、上記のキャパシタモジュールはブスバーの超音波溶接によってのみ接合された構造であるため、外部より機械的ストレスが加わった場合に、超音波溶接部が剥離してしまうおそれがある。そこで、図８，９に示すように、キャパシタの外形寸法に合致する複数に凹部を有する下型４４と、キャパシタの外部端子導出面の肩部を固定する二つの上型４０，４２を用い、これらの上型４０，４２と下型４４をネジ４６固定すること等により、キャパシタモジュールの補強部材で保持固定を図ることができる。

キャパシタモジュールの補強部材での保持固定は、上記の他にも筐体にキャパシタモジュールを収納して樹脂埋めする方法等、種々の手段を選択することができる。

本発明に係る電気二重層キャパシタ外装ケース３の断面図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタの集電体２３の斜視図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタのキャパシタ素子を示す斜視図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタの構造の概略図である。 本発明に係るキャパシタの封口部材の側面図である。 本発明に係るキャパシタの封口部材の正面図である 本発明に係るモジュールを用いて複数のキャパシタを連結するキャパシタモジュールの構成図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタの筐体の縦断面図である。 本発明に係る電気二重層キャパシタの筐体の斜視図である。

符号の説明

１ キャパシタ素子
２ 封口部材
３ 外装ケース
４ 電解液
１１ 正極シート
１２ 負極シート
１３ 集電体
１４ 分極性電極層
１５ タブ
１６ セパレータ
１７ 巻き止めテープ
１８ 外装ケース
２１ 外部端子
２８ 溝部
３０ 頭部
３２ チャッキング部材
３４ ブスバー
３６ 溶接ホーン
４０，４２ 上型
４４ 下型
４６ ネジ

Claims (3)

1. 一方の端面から両極の外部端子を導出したキャパシタと、
   前記導出した外部端子同士を電気的に接続するブスバーより構成されるキャパシタモジュールであって、
   外部端子の側面に、超音波溶接の際に外部端子を固定する溝を形成するとともに、平板状のブスバーが外部端子に超音波溶接により接続されているキャパシタモジュール。
2. 超音波溶接したキャパシタモジュールを保持部材にて保持固定した請求項１に記載のキャパシタモジュール。
3. 一方の端面から両極の外部端子を導出したキャパシタと、
   前記導出した外部端子同士を電気的に接続するブスバーより構成されるキャパシタモジュールの製造方法であって、
   外部端子の側面に、超音波溶接の際に外部端子を固定する溝を形成し、該溝を把持して固定するチャッキング部材で保持固定しながら、平板状のブスバーが外部端子に超音波溶接により接続するキャパシタモジュールの製造方法。

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