JP2010093179A - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】各種電源のアシスト用等に使用される電気二重層キャパシタに関し、小型化と低コスト化を図ることを目的とする。
【解決手段】一端に設けた陽極取り出し部を除いて分極性電極層を形成した陽極電極と、一端に設けた陰極取り出し部を除いて分極性電極層を形成した陰極電極を、その間にセパレータを介在させ、陽極取り出し部と陰極取り出し部を同一方向に配設して積層した素子１と、この素子１の陽極取り出し部、陰極取り出し部に接合された陽極リード線６、陰極リード線７と、上記素子１を電解液と共に収容した金属ケース８と、上記陽極リード線６、陰極リード線７が挿通する孔を有して金属ケース８の開口部に嵌め込まれて封止を行う封口ゴム９からなる構成により、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図り、低コスト化、小型化、低抵抗化が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、携帯機器等に使用される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、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するものであり、このような電気二重層キャパシタは、小型化が図れ、かつ、大容量の充電が可能なキャパシタとして、マイコン、メモリ、タイマーのバックアップ用、各種電源のアシスト用等に広く用いられているものである。

図６はこの種の従来の電気二重層キャパシタの構成を示した断面図であり、図６において、２１は電気二重層キャパシタを示し、この電気二重層キャパシタ２１は、電解質溶液が含浸された長尺のセパレータ２２が所定長ごとに異なる方向に交互に折り返され、蛇腹状にされたセパレータ２２間に該セパレータ２２を介して互いに異なる極が対面するように複数の電極板２３が積層されている。各電極板２３の端部には、電極板２３と略同幅で可撓性の集電部材２４が接続されており、集電部材２４は電極板２３の全長に亘って埋設されている。

各電極板２３は上記のように蛇腹状に折り返されているセパレータ２２により一方の端部が包み込まれると共に、セパレータ２２に包み込まれていない方の端部は側面に露出しており、上記集電部材２４は該露出している方の端部でセパレータ２２間から引き出される。各電極板２３は上記端部が交互に逆側の側面に露出しているので、上記集電部材２４は同極ごとに纏められ、断面視Ｃ字状の結束部材２５により結束される。結束部材２５は、それ自体導電性の材料により構成されている。

そして、結束部材２５による集電部材２４の結束部分２６、２７は、同極ごとに電極板２３の積層方向の相異なる最外層側に、例えば図６の場合には、結束部分２６は最上層側に、結束部分２７は最下層側に配置されるようになり、さらに、このように構成された電気二重層キャパシタ２１が該電極板２３の積層方向に複数積層されるように構成されたものである。

このように構成された従来の電気二重層キャパシタ２１は、各電極板２３の端部に接続された可撓性の集電部材２４を上記セパレータ２２間から引き出すことにより、該集電部材２４が同極ごとに結束されることにより、上記集電部材２４を各電極板２３に接続するために上記セパレータ２２が損傷される恐れがなく、容易に製造することができ、さらに、この電気二重層キャパシタ２１を単セルとし、この単セルを積層することにより、容易に直列接続できるというものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特許第３４２３８５２号公報

しかしながら上記従来の電気二重層キャパシタ２１では、セパレータ２２が損傷されることなく、容易に製造することができ、しかもこれを単セルとし、この単セルを積層することによって容易に直列接続できるという特徴を有するものの、このような単セル、あるいは積層された複数のセルに電解質溶液を含浸してキャパシタ装置とするためには、不導電性樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるケース部材を用いて上記単セル、あるいは積層された複数のセルを収容して封止しなければならないことに加え、一対の電極を同一方向から引き出すことができないために製品が大型化すると共に、高いコストのものになってしまうという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、簡単な構成により小型化と低コスト化を実現することが可能な電気二重層キャパシタを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、金属箔からなる集電体の一端に設けた陽極取り出し部を除く両面に分極性電極層を形成したシート状の陽極電極と、金属箔からなる集電体の一端に設けた陰極取り出し部を除く両面に分極性電極層を形成したシート状の陰極電極を、その間にセパレータを介在させ、かつ、上記陽極取り出し部と陰極取り出し部を夫々同一方向に配設して複数層積層した素子と、この素子の陽極取り出し部、陰極取り出し部に夫々一端が接合された陽極リード線、陰極リード線と、上記素子を電解液と共に収容した有底筒状の金属ケースと、上記素子に接合された陽極リード線、陰極リード線の他端が夫々挿通する孔を有して上記金属ケースの開口部に嵌め込まれ、金属ケースの加工により圧縮されて封止を行う封口ゴムからなる構成にしたものである。

以上のように本発明による電気二重層キャパシタは、陽極電極と陰極電極に設けた陽極取り出し部と陰極取り出し部を夫々同一方向に配設して積層した構成により、簡単な構成によって作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、小型化と低抵抗化を図ることができるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜９に記載の発明について説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの構成を説明するための製造工程図、図２（ａ）〜（ｄ）は同電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を説明するための製造工程図、図３は同素子の構成を示した断面図、図４は同素子のリード線接合部を示した要部断面図である。なお、図１〜図４においては、素子の構成を分かり易くするために、積層枚数を少なくして記載しているものであり、実際は数十枚の陽極電極と陰極電極を交互に積層しているものである。

図１〜図４において、１は素子を示し、この素子１はアルミニウム箔からなる方形の集電体２ａの一辺の端部に突出する舌片状の陽極取り出し部２ｂを一体で設け、この陽極取り出し部２ｂを除く集電体２ａの両面に分極性電極層２ｃを形成したシート状の陽極電極２と、アルミニウム箔からなる方形の集電体３ａの一辺の端部に突出する舌片状の陰極取り出し部３ｂを一体で設け、この陰極取り出し部３ｂを除く集電体３ａの両面に分極性電極層３ｃを形成したシート状の陰極電極３を、つづら折り状に折り曲げられた多孔質フィルム（本実施の形態においては耐熱性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）フィルムを用いた）からなるシート状のセパレータ４の各層間に相反する方向から交互に挿入して配設することにより積層構造に形成されたものである。

また、上記陽極電極２と陰極電極３に夫々設けられた陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂが同一方向に配設されるようにして積層したものであり、従って、陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂは、これらが設けられた辺の幅の１／２未満の幅になるように夫々形成されたものであり、これにより、陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂが接触して短絡することを防止するようにしているものである。

また、上記素子１の最上段と最下段には陰極電極３が配設され、この最上段と最下段に配設される陰極電極３は集電体３ａの片面のみに分極性電極層３ｃが形成されたものであり、この分極性電極層３ｃが夫々セパレータ４と当接するようにして配設した構成にしているものである。このような構成により、陽極電極２の面積よりも陰極電極３の面積が大きくなるために、陽極電極２の局所部で発生する腐食反応を抑制して安定した性能を発揮することができるようになるものである。なお、５は素子１の外周に巻き付けられた巻き止めテープである。

このように構成される素子１は簡単な構成によって作業性が向上するばかりでなく、つづら折り状に折り曲げられたセパレータ４の各層間に陽極電極２と陰極電極３を相反する方向から交互に挿入するだけで高い寸法精度を確保することができるようになるものである。

また、上記陽極電極２と陰極電極３に夫々形成された分極性電極層２ｃ、３ｃは、活性炭粉末とカーボンブラックとバインダとを混練したものにより構成され、上記活性炭粉末としては、木粉系、ヤシガラ系、フェノール樹脂系、石油コークス系、石炭コークス系、ピッチ系の原料を賦活したものが用いられる。また、バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロースの水溶性バインダを混合したものが用いられるものである。

また、上記つづら折り状に折り曲げられたセパレータ４を構成する多孔質フィルムとしては、セルロース系繊維（セルロース、レーヨン、クラフト、マニラ麻、ヘンプ、エスパルト等）、合成繊維系（ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、変性ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホ、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリレート、ポリアリルエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル樹脂、ビニロン樹脂、ポリアミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素樹脂等）を用いることができるが、特に、芳香族ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素樹脂等を用いるのが好ましい。

なお、このように構成された素子１は、上下方向（積層方向）にプレス加工されることによって極めて薄い厚みに加工されるものであるが、本実施の形態においては、構成を分かり易くして説明するために、積層枚数を少なくし、かつ、プレス加工なしの状態のままで図示している。

６と７は上記素子１を構成する陽極電極２と陰極電極３に夫々設けられた陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂに夫々一端が接合された陽極リード線と陰極リード線であり、この陽極リード線６と陰極リード線７は、アルミニウムの丸線６ａ（７ａ）の一端に銅下地錫引き鉄線６ｂ（７ｂ）が接合されたリード線の上記アルミニウムの丸線６ａ（７ａ）の他端を偏平に加工して接合部６ｃ（７ｃ）を設け、この接合部６ｃ（７ｃ）を上記素子１の陽極取り出し部２ｂならびに陰極取り出し部３ｂに夫々レーザー溶接（溶接痕６ｄ、７ｄ）等の手段によって接合するようにしたものである。

また、上記陽極リード線６と陰極リード線７は、複数枚が積層された陽極電極２、陰極電極３の各中心部に夫々配設し、複数枚の陽極電極２と陰極電極３を夫々圧接した状態で溶接するようにしたものであり、これにより、陽極リード線６と陰極リード線７が素子１の積層方向の中心部から夫々引き出された構成になるようにしているものである。

８は上記素子１を図示しない電解液と共に収容するアルミニウム製の有底筒状の金属ケース、８ａはこの金属ケース８内に素子１を収容した後に、金属ケース８の外面から内部に向かうように設けた凹部であり、この凹部８ａにより、金属ケース８の内部に収容された素子１を積層方向に圧縮するようにしたものである。

また、上記金属ケース８に設けた凹部８ａは、金属ケース８の内部に収容された素子１の陽極電極２の陽極取り出し部２ｂ（陰極電極３の陰極取り出し部３ｂと同じ）を除く面積の１５％以上、かつ、圧縮率が３〜２０％としたものであり、このようにすることにより、素子１の膨れを防止して不要な抵抗の増加を防止することができると共に、金属ケース８の強度向上を図ることができるものである。

また、上記金属ケース８の内面には、図示はしないが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）または６ナイロンからなる樹脂層が設けられており、この樹脂層によって陽極電極２と陰極電極３の短絡を防止するようにしているものである。

なお、上記電解液としては、溶媒として、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートまたはメチルエチルカーボネートのいずれか１種もしくは２種以上の混合物を使用することができる。電解質カチオンとしては、第四級アンモニウム、第四級ホスホニウム、イミダゾリウム塩が使用でき、電解質アニオンとしては、ＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、ＣｌＯ₄ ^-、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-またはＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ ^-を使用することができるものである。

９は上記素子１の陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂに夫々接合された陽極リード線６と陰極リード線７が挿通する孔９ａを備えて上記金属ケース８の開口部に嵌め込まれ、金属ケース８の開口部近傍の凹部加工（凹部８ｂ）、ならびにカーリング加工（カーリング加工部８ｃ）により圧縮されて封止を行う封口ゴムであり、本実施の形態においては、この封口ゴム９としてイソブチレンイソプレンゴム（ＩＩＲ）を用いたものであり、このＩＩＲは電解液は透過しないが、キャパシタ内部で発生したガスを外部へ逃がすことができるものであるために好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上記封口ゴム９の外径は金属ケース８の開口部の内径よりも大きく形成されることによって金属ケース８に対して圧入されるようにしていると共に、封口ゴム９に設けた陽極リード線６と陰極リード線７が挿通する孔９ａは陽極リード線６と陰極リード線７の外径よりも小さく形成されることによって陽極リード線６と陰極リード線７が圧入されるようにしているものであり、これらの圧入によって封止性を高めるようにしているものであり、これにより、本実施の形態による電気二重層キャパシタ１０が構成されているものである。

このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタは、陽極電極２と陰極電極３に設けた陽極取り出し部２ｂと陰極取り出し部３ｂを夫々同一方向に配設して積層した構成により、簡単な構成によって作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、小型化と低抵抗化を図ることができるようになるという格別の効果を奏するものである。

また、電解液が含浸された素子１を金属ケース８内に収容して封口ゴム９で封止した構成により、高い封止性能と高い耐熱性を発揮することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項１０に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で図１〜図４を用いて説明した電気二重層キャパシタを１つのセルとし、このセルを複数個接続して樹脂ケース内に収容した点が異なるものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて詳細に説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタの構成を示した分解斜視図と斜視図であり、図５において、１１は上面開放の樹脂製のケース、１２はこのケース１１の上面に被せられる蓋であり、上記ケース１１内には上記実施の形態１で説明した電気二重層キャパシタ１０が２個隣り合うようにして収容されているものである。

１３と１４は上記ケース１１に設けられた外部陽極端子と外部陰極端子であり、この外部陽極端子１３と外部陰極端子１４には、上記電気二重層キャパシタ１０から引き出された陽極リード線６と陰極リード線７が夫々接続されており、更に、一方の電気二重層キャパシタ１０が接続された外部陰極端子１４と他方の電気二重層キャパシタ１０が接続された外部陽極端子１３はケース１１の外部で外部中間端子１５によって接続されており、これにより２個の電気二重層キャパシタ１０が直列接続された構成になっているものである。

そして、このように２個の電気二重層キャパシタ１０を収容したケース１１の上面開放部に蓋１２を被せ、接着等の手段によってケース１１と蓋１２を結合することにより、本実施の形態による電気二重層キャパシタが構成されているものである。

このように構成された本実施の形態による電気二重層キャパシタは、上記実施の形態１による電気二重層キャパシタにより得られる効果に加え、複数個の電気二重層キャパシタを接続して一体化することにより、小型大容量化を実現することができるようになるという格別の効果を奏するものである。

本発明による電気二重層キャパシタは、簡単な構成により作業性と寸法精度の向上を図って低コスト化を実現すると共に、小型化と低抵抗化を図り、更に、陽極電極の局所部で発生する腐食反応を抑制して安定した性能を発揮することができるという効果を有し、各種電源のアシスト用分野等として有用である。

（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態１による電気二重層キャパシタの構成を説明するための製造工程図 （ａ）〜（ｄ）同電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を説明するための製造工程図 同素子の構成を示した断面図 同素子のリード線接合部を示した要部断面図 （ａ）本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタの構成を示した分解斜視図、（ｂ）同斜視図 従来の電気二重層キャパシタの構成を示した断面図

符号の説明

１ 素子
２ 陽極電極
２ａ、３ａ 集電体
２ｂ 陽極取り出し部
２ｃ、３ｃ 分極性電極層
３ 陰極電極
３ｂ 陰極取り出し部
４ セパレータ
５ 巻き止めテープ
６ 陽極リード線
６ａ、７ａ 丸線
６ｂ、７ｂ 銅下地錫引き鉄線
６ｃ、７ｃ 接合部
６ｄ、７ｄ 溶接痕
７ 陰極リード線
８ 金属ケース
８ａ、８ｂ 凹部
８ｃ カーリング加工部
９ 封口ゴム
１０ 電気二重層キャパシタ
１１ ケース
１２ 蓋
１３ 外部陽極端子
１４ 外部陰極端子
１５ 外部中間端子

Claims (10)

1. 一端に陽極取り出し部を設けた金属箔からなる集電体の上記陽極取り出し部を除く両面に分極性電極層を形成したシート状の陽極電極と、一端に陰極取り出し部を設けた金属箔からなる集電体の上記陰極取り出し部を除く両面に分極性電極層を形成したシート状の陰極電極を、その間にセパレータを介在させ、かつ、上記陽極取り出し部と陰極取り出し部を夫々同一方向に配設した状態で複数層積層した素子と、この素子の陽極取り出し部ならびに陰極取り出し部に夫々一端が接合された陽極リード線ならびに陰極リード線と、上記素子を電解液と共に収容した有底筒状の金属ケースと、上記素子に接合された陽極リード線ならびに陰極リード線の他端が夫々挿通する孔を有して上記金属ケースの開口部に嵌め込まれ、金属ケースの加工により圧縮されて封止を行う封口ゴムからなる電気二重層キャパシタ。
2. シート状の陽極電極ならびに陰極電極を構成する集電体が、方形の金属箔の一辺の端部に突出する舌片状の陽極（または陰極）取り出し部を一体で設け、この陽極（または陰極）取り出し部の幅が、陽極（または陰極）取り出し部が設けられた辺の全幅の１／２未満になるように形成されたものである請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
3. 陽極電極と陰極電極間に介在させるセパレータが、つづら折り状に折り曲げられて形成され、このつづら折り状のセパレータの各層間に陽極電極と陰極電極を相反する方向から交互に挿入して配設することにより、積層形の素子を構成したものである請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 素子の陽極取り出し部ならびに陰極取り出し部に夫々一端が接合された陽極リード線ならびに陰極リード線が、アルミニウムの丸線の一端に銅下地錫引き鉄線が接合されたリード線の上記アルミニウムの丸線の他端を偏平に加工して接合部を設け、この接合部を素子の陽極取り出し部ならびに陰極取り出し部に夫々溶接することにより接合したものである請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
5. 金属ケースの外面から内部に向かう凹部を設け、この凹部により内部に収容された素子を積層方向に圧縮するようにした請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
6. 金属ケースの外面から内部に向かって設けた凹部の面積が、金属ケースの内部に収容された素子の陽極（または陰極）電極の陽極（または陰極）取り出し部を除く面積の１５％以上、かつ、圧縮率が３〜２０％とした請求項５に記載の電気二重層キャパシタ。
7. 金属ケースの開口部近傍の外周面から内部に向かう凹部を設け、この凹部により内部に嵌め込まれた封口ゴムを圧縮するようにした請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
8. 素子を電解液と共に収容した金属ケースの内面に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）または６ナイロンからなる樹脂層を設けた請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
9. 素子の最上段と最下段に夫々陰極電極が配設されるようにした請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の電気二重層キャパシタを１つのセルとし、このセルを複数個接続して樹脂ケース内に収容した電気二重層キャパシタ。

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