JP2010182922A - Electric double layer capacitor and method of manufacturing electric double layer capacitor - Google Patents

Electric double layer capacitor and method of manufacturing electric double layer capacitor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make an electric double layer capacitor used for an automobile etc., compact and large in capacity. <P>SOLUTION: A first electrode 10 is formed by forming polarizable electrode layers 10b on a current collector 10a made of metal foil, and depositing an insulating fiber layer 10c comprising a three-dimensional structure having a plurality of superfine fibers bonded to resin particles on surfaces of the polarizable electrode layers 10b. A second electrode 11 is formed by forming a polarizable electrode layer 11b on a current collector 11a made of metal foil. At least a pair of capacitive elements 15 is formed by stacking the first electrode 10 and second electrode 11. The capacitive elements 15 are impregnated with an electrolyte for driving and are sealed with a housing body 12. Consequently, the insulating fiber layer 10c is greatly reduced in thickness to make the capacitive elements 15 compact, thereby reducing the size and increasing the capacity. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は各種電子機器、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源用や回生用、あるいは電力貯蔵用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。   The present invention relates to an electric double layer capacitor used for backup power source, regeneration, or power storage of various electronic devices, hybrid vehicles and fuel cell vehicles.

従来から、高耐電圧で大容量、しかも急速充放電の信頼性が高いということから電気二重層キャパシタが着目され、多くの分野で使用されている。このような電気二重層キャパシタは正極、負極共に活性炭を主体とする分極性電極を電極として用い、その間にセパレータを介して積層または巻回した構成のものであり、電気二重層キャパシタとしての耐電圧は、水系電解液を使用すると1.2V、有機系電解液を使用すると2.5〜3.3Vである。   Conventionally, electric double layer capacitors have attracted attention and are used in many fields because of their high withstand voltage, large capacity, and high reliability of rapid charge / discharge. Such an electric double layer capacitor has a configuration in which a polarizable electrode mainly composed of activated carbon is used as an electrode for both the positive electrode and the negative electrode, and is stacked or wound through a separator between them, and withstand voltage as an electric double layer capacitor Is 1.2 V when an aqueous electrolyte is used, and 2.5 to 3.3 V when an organic electrolyte is used.

電気二重層キャパシタのエネルギーは耐電圧の2乗に比例するため、耐電圧の高い有機系電解液の方が水系電解液より高エネルギーであるが、有機系電解液を使用した電気二重層キャパシタでも、そのエネルギー密度は鉛蓄電池等の二次電池の1/10以下であり、更なるエネルギー密度の向上が必要とされている。   Since the energy of an electric double layer capacitor is proportional to the square of the withstand voltage, an organic electrolyte with a higher withstand voltage has a higher energy than an aqueous electrolyte, but even with an electric double layer capacitor using an organic electrolyte And the energy density is 1/10 or less of secondary batteries, such as a lead acid battery, and the further improvement of an energy density is required.

さらに、このような電気二重層キャパシタの耐久性向上のために、ポリエチレンやポリプロピレン等のセパレータを用いることも知られている。   Furthermore, it is also known to use a separator such as polyethylene or polypropylene in order to improve the durability of such an electric double layer capacitor.

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。
特開2001−185455号公報
As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
JP 2001-185455 A

しかしながら上記従来の電気二重層キャパシタでは、正極と負極間に配置される絶縁のためのセパレータが独立したシート状の構成であるために、製造面や強度面等を考慮すると25μm程度の厚みが必要であり、これ以上の薄型化は難しいという問題があった。   However, in the conventional electric double layer capacitor, since the separator for insulation disposed between the positive electrode and the negative electrode has an independent sheet-like configuration, a thickness of about 25 μm is necessary in consideration of the manufacturing surface and strength. Therefore, there is a problem that it is difficult to further reduce the thickness.

従って、正極と負極をその間にセパレータを介在させて積層、または巻回することによって構成した素子を小型化することが困難となり、小型大容量化を実現するのが難しいという課題があった。   Therefore, it is difficult to reduce the size of an element formed by laminating or winding the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween, and there is a problem that it is difficult to realize a small size and large capacity.

一方、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源用や回生用、あるいは電力貯蔵用等に使用される電気二重層キャパシタは高エネルギー密度のものが要求されるが、セパレータが厚くなると、一つのケース内に入れることができる分極性電極の体積割合が減少するため、電気二重層キャパシタの静電容量が減少したり、分極性電極と集電体との接触面積も減少するため、所定の電流を流す場合には分極性電極の単位面積当たりにかかる電流密度が大きくなり、電気二重層キャパシタの内部抵抗が増大し、寿命等の信頼性に問題があった。   On the other hand, electric double layer capacitors used for backup power sources, regenerative power storage, etc. for hybrid vehicles and fuel cell vehicles are required to have high energy density. Since the volume ratio of the polarizable electrode that can be stored in the electrode is reduced, the capacitance of the electric double layer capacitor is reduced and the contact area between the polarizable electrode and the current collector is also reduced. In this case, the current density per unit area of the polarizable electrode is increased, the internal resistance of the electric double layer capacitor is increased, and there is a problem in reliability such as life.

さらに、積層型タイプは一対の分極性電極の間にセパレータを介し、分極性電極の外側に集電体を配置させ、その集電体を加圧することにより分極性電極と駆動用電解液との接触を良くして内部抵抗を低く抑えているが、ガス発生により加圧が弱まり、駆動用電解液を含浸したセパレータが分極性電極層と接触が悪くなり寿命特性に影響を与えるという課題を有している。   Furthermore, in the laminated type, a current collector is disposed outside the polarizable electrode through a separator between a pair of polarizable electrodes, and the current collector is pressurized to thereby form the polarizable electrode and the driving electrolyte. Although the contact is improved and the internal resistance is kept low, there is a problem that the pressure is weakened by gas generation, and the separator impregnated with the driving electrolyte deteriorates the contact with the polarizable electrode layer and affects the life characteristics. is doing.

本発明はこのような従来の課題を解決し、セパレータを薄型化することによって小型大容量化を図るとともに高信頼性の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。   An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide a highly reliable electric double layer capacitor while reducing the size and increasing the capacity by reducing the thickness of the separator.

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に分極性電極層が形成され、この分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極と、金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成した第2の電極と、上記第1の電極と第2の電極を重ねて構成された少なくとも一対のコンデンサ素子と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させ、上記コンデンサ素子を外装体で封止するようにした構成とするものである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a three-dimensional structure in which a polarizable electrode layer is formed on a current collector made of metal foil, and a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles on the surface of the polarizable electrode layer. A first electrode on which an insulating fiber layer having the structure described above is deposited, a second electrode in which a polarizable electrode layer is formed on a current collector made of metal foil, and the first electrode and the second electrode are stacked. The capacitor element is configured to be impregnated with a driving electrolyte solution, and the capacitor element is sealed with an exterior body.

また、金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極を形成する工程と、この第1の電極の絶縁繊維層に金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成した第2の電極を重ねて少なくとも一対のコンデンサ素子を形成する工程と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させ、上記コンデンサ素子を外装体で封止する工程とを備えた電気二重層キャパシタの製造方法とするものである。   Also, a polarizable electrode layer is formed on a current collector made of metal foil, and an insulating fiber layer having a three-dimensional structure composed of a plurality of ultrafine fibers bonded to resin particles is deposited on the surface of the polarizable electrode layer. Forming at least a pair of capacitor elements by superimposing a second electrode having a polarizable electrode layer on a current collector made of a metal foil on an insulating fiber layer of the first electrode. An electric double layer capacitor manufacturing method includes a forming step and a step of impregnating the capacitor element with a driving electrolyte and sealing the capacitor element with an exterior body.

以上のように本発明による電気二重層キャパシタは、分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極とすることにより、分極性電極層と絶縁繊維層が一体となって絶縁繊維層に含浸した駆動用電解液が常に分極性電極層と接触しており、また、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる繊維層を備えることから、機械的強度が強くて駆動用電解液の保持量が多くできることから、二重層容量を最大限引き出し、内部抵抗を低く抑えることができる。その結果、電気二重層キャパシタの充放電特性、寿命特性を向上させることができる。   As described above, the electric double layer capacitor according to the present invention includes a first electrode in which an insulating fiber layer having a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles is deposited on the surface of a polarizable electrode layer. Thus, the driving electrolyte in which the polarizable electrode layer and the insulating fiber layer are integrated and impregnated in the insulating fiber layer is always in contact with the polarizable electrode layer, and a plurality of ultrafine fibers are in contact with the resin particles. Since it has a fiber layer consisting of a combined three-dimensional structure, it has a high mechanical strength and can hold a large amount of driving electrolyte, so it can maximize the double layer capacity and keep the internal resistance low. Can do. As a result, the charge / discharge characteristics and life characteristics of the electric double layer capacitor can be improved.

また、従来の電極とセパレータを別々に構成したものに比べて、セパレータとしての厚みを大幅に薄くすることが可能で機械的強度も強いことから、素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができるという効果が得られるものである。   In addition, compared to conventional electrodes and separators that are configured separately, the thickness of the separator can be significantly reduced and the mechanical strength is strong, so the elements can be downsized and the capacity can be increased. The effect that it can be realized is obtained.

さらに、第1の電極に堆積した絶縁繊維層は、第1の電極の集電体と樹脂を溶解した溶液を噴射するノズルとの間に電圧を印加して形成することにより、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を形成することができることから、絶縁繊維層の密度を均一にして薄く形成でき、電気二重層キャパシタの内部抵抗が低減することができ、長寿命化を図り、高信頼性の電気二重層キャパシタを得ることができる。   Furthermore, the insulating fiber layer deposited on the first electrode is formed by applying a voltage between the current collector of the first electrode and a nozzle for injecting a solution in which a resin is dissolved, whereby a plurality of ultrafine fibers are formed. Can form an insulating fiber layer composed of a three-dimensional structure in which the resin particles are bonded to the resin particles, so that the density of the insulating fiber layer can be made uniform and thin, and the internal resistance of the electric double layer capacitor can be reduced. Thus, the lifetime can be extended and a highly reliable electric double layer capacitor can be obtained.

(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に記載の発明について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first aspect of the present invention will be described with reference to the first embodiment.

図1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示す断面図であり、図1において、15はコンデンサ素子であり、第1の電極10(正極)と第2の電極11(負極)から構成されている。第1の電極10は、アルミニウム箔の集電体10aの上下面に活性炭を主体とした分極性電極層10bを形成し、さらに、この分極性電極層10bの表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層10cを堆積させたものである。第2の電極11は、アルミニウム箔の集電体11aの片面に活性炭を主体とした分極性電極層11bを形成したものであり、上記第1の電極10の上下に配置される。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electric double layer capacitor according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 15 is a capacitor element, and includes a first electrode 10 (positive electrode) and a second electrode 11 ( Negative electrode). The first electrode 10 has a polarizable electrode layer 10b mainly composed of activated carbon formed on the upper and lower surfaces of an aluminum foil current collector 10a, and a plurality of ultrafine fibers are resin particles on the surface of the polarizable electrode layer 10b. Insulating fiber layer 10c having a three-dimensional structure structure bonded to is deposited. The second electrode 11 is formed by forming a polarizable electrode layer 11b mainly composed of activated carbon on one surface of an aluminum foil current collector 11a, and is disposed above and below the first electrode 10.

そして、第1の電極10の集電体10aに外部端子13を接続し、同じくそれぞれの第2の電極11にも外部端子14を接続し、続いて、上記コンデンサ素子15に駆動用電解液を含浸させ、その後、外部端子13及び14の一部露出させるように外装体12で被覆することにより電気二重層キャパシタが構成されるものである。   Then, the external terminal 13 is connected to the current collector 10 a of the first electrode 10, and the external terminal 14 is also connected to each second electrode 11. Subsequently, the driving electrolyte is applied to the capacitor element 15. The electric double layer capacitor is constructed by impregnating and then covering with the outer package 12 so that the external terminals 13 and 14 are partially exposed.

次に上記電気二重層キャパシタの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the electric double layer capacitor will be described.

まず、第1の電極10として、厚さが22μmの高純度アルミニウム箔(Al:99.99%以上)を集電体10aとして用い、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングして表面を粗面化する。   First, as the first electrode 10, a high-purity aluminum foil (Al: 99.99% or more) having a thickness of 22 μm is used as the current collector 10 a, and the surface is roughened by electrolytic etching in a hydrochloric acid-based etching solution. Turn into.

続いて、平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭粉末と、導電性付与剤として平均粒径0.05μmのアセチレンブラック、バインダとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)とポリテトラフロロエチレン(PTFE)を溶解した水溶性バインダ溶液を10:2:1の重量比に混合して混練機で十分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製し、このペーストを上記集電体10aの一端を除く上下面に塗布し、85℃の大気中で5分間乾燥することにより分極性電極層10bを形成した。   Subsequently, a phenol resin activated carbon powder having an average particle size of 5 μm, acetylene black having an average particle size of 0.05 μm as a conductivity-imparting agent, and water-soluble in which carboxymethyl cellulose (CMC) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are dissolved as a binder. After the binder solution is mixed at a weight ratio of 10: 2: 1 and sufficiently kneaded with a kneader, methanol and water dispersion solvent is added little by little, and further kneaded to prepare a paste with a predetermined viscosity. Was applied to the upper and lower surfaces excluding one end of the current collector 10a and dried in the atmosphere at 85 ° C. for 5 minutes to form the polarizable electrode layer 10b.

この分極性電極層10bの表面に絶縁繊維層10cを堆積させる。本発明はこの絶縁繊維層10cを直接分極性電極層10bの表面に堆積させることを最大の特徴とする。   An insulating fiber layer 10c is deposited on the surface of the polarizable electrode layer 10b. The present invention is most characterized by depositing the insulating fiber layer 10c directly on the surface of the polarizable electrode layer 10b.

上記絶縁繊維層10cの堆積は図2に示す方法により行う。すなわち、ポリブチレンテレフタレート(PBT)からなる樹脂を有機溶媒に溶解し、この溶液を溶液槽18に注入し、この溶液槽18に接続したノズル16と分極性電極層10bを形成した集電体10aとの間に10〜50kVの高電圧を印加して、ノズル16より上記溶液を噴射させることにより、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層10cが堆積される。この絶縁繊維層10cの表面SEM写真を図3に示す。   The insulating fiber layer 10c is deposited by the method shown in FIG. That is, a current collector 10a in which a resin made of polybutylene terephthalate (PBT) is dissolved in an organic solvent, this solution is poured into a solution tank 18, and a nozzle 16 connected to the solution tank 18 and a polarizable electrode layer 10b are formed. Insulating fiber layer 10c having a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles by applying a high voltage of 10 to 50 kV between the two and spraying the solution from nozzle 16. Is deposited. A surface SEM photograph of the insulating fiber layer 10c is shown in FIG.

なお、上記樹脂濃度は3〜10重量%の範囲が好ましく、3重量%未満では樹脂粒子が大きく、極細繊維も少なくなり、電気二重層キャパシタの特性が悪化する。また、樹脂濃度が10重量%を超えると、3次元立体構造にならず、極細繊維だけが堆積され、絶縁繊維層の密度が高くなり、電気二重層キャパシタの内部抵抗を低減することができない。   The resin concentration is preferably in the range of 3 to 10% by weight, and if it is less than 3% by weight, the resin particles are large and the number of ultrafine fibers is reduced, which deteriorates the characteristics of the electric double layer capacitor. On the other hand, if the resin concentration exceeds 10% by weight, the three-dimensional structure is not formed, only the ultrafine fibers are deposited, the density of the insulating fiber layer is increased, and the internal resistance of the electric double layer capacitor cannot be reduced.

上記絶縁繊維層10cの厚さは5〜20μmで、好ましくは5〜15μmの範囲である。   The insulating fiber layer 10c has a thickness of 5 to 20 [mu] m, preferably 5 to 15 [mu] m.

また、上記絶縁繊維層10cに用いられる樹脂としては、上記ポリブチレンテレフタレート(PBT)の他に、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、アラミド、ポリイミド、ナイロン、変性PP、変性PE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)の樹脂及びセルロースが使用可能であるが、これらの樹脂は、分極性電極層10bと水素結合を起こして高い結合強度が得られることから、好ましい材料である。さらに耐熱性の観点から、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、アラミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)がさらに好ましい。   In addition to the polybutylene terephthalate (PBT), the resin used for the insulating fiber layer 10c is polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), aramid, polyimide. , Nylon, modified PP, modified PE, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE) resin and cellulose can be used, but these resins cause hydrogen bonding with the polarizable electrode layer 10b. It is a preferable material because high bond strength can be obtained. Further, from the viewpoint of heat resistance, polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), aramid, polyimide, polyvinylidene fluoride (PVDF), and polytetrafluoroethylene (PTFE) are more preferable.

なお、樹脂を有機溶剤に溶解して溶液としているが、必ずしも溶剤に融けている必要はない。例えば微細化された樹脂が溶剤に分散されたもの、またはエマルジョンになっているものでも使用できる。   In addition, although resin is melt | dissolved in the organic solvent and it is set as the solution, it does not necessarily need to melt | dissolve in the solvent. For example, a fine resin dispersed in a solvent or an emulsion can be used.

次に、第2の電極11は、厚さが22μmの高純度アルミニウム箔(Al:99.99%以上)を集電体11aとして用い、塩酸系のエッチング液中で電解エッチングして表面を粗面化する。続いて、平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭粉末と、導電性付与剤として平均粒径0.05μmのアセチレンブラック、バインダとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)とポリテトラフロロエチレン(PTFE)を溶解した水溶性バインダ溶液を10:2:1の重量比に混合して混練機で十分に混練した後、メタノールと水の分散溶媒を少しずつ加え、更に混練して所定の粘度のペーストを作製し、このペーストを上記集電体11aの表面に塗布し、85℃の大気中で5分間乾燥することにより分極性電極層10bを形成して得られる。   Next, the surface of the second electrode 11 is roughened by electrolytic etching in a hydrochloric acid-based etching solution using a high-purity aluminum foil (Al: 99.99% or more) having a thickness of 22 μm as a current collector 11a. Face. Subsequently, a phenol resin activated carbon powder having an average particle size of 5 μm, acetylene black having an average particle size of 0.05 μm as a conductivity-imparting agent, and water-soluble in which carboxymethyl cellulose (CMC) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are dissolved as a binder. After the binder solution is mixed at a weight ratio of 10: 2: 1 and sufficiently kneaded with a kneader, methanol and water dispersion solvent is added little by little, and further kneaded to prepare a paste with a predetermined viscosity. Is applied to the surface of the current collector 11a and dried in the air at 85 ° C. for 5 minutes to form the polarizable electrode layer 10b.

次に、上記第1の電極10の集電体10aに外部端子13を接続し、同じくそれぞれの第2の電極11にも外部端子14を接続する。続いて、第1の電極10の上下それぞれに第2の電極11を配置するようにして重ね合わせコンデンサ素子15を形成する。このコンデンサ素子15にプロピレンカーボネートに4エチルアンモニウム4フッ化ホウ素を溶解した駆動用電解液を含浸させ、その後、外部端子13及び14の一部露出させるように外装樹脂からなる外装体12で被覆することにより電気二重層キャパシタが得られる。   Next, the external terminal 13 is connected to the current collector 10 a of the first electrode 10, and the external terminal 14 is also connected to each second electrode 11. Subsequently, the overlapping capacitor element 15 is formed so that the second electrode 11 is disposed above and below the first electrode 10. The capacitor element 15 is impregnated with a driving electrolyte solution in which propylene carbonate is dissolved in 4-ethylammonium tetrafluoride, and then covered with an exterior body 12 made of an exterior resin so as to partially expose the external terminals 13 and 14. Thus, an electric double layer capacitor can be obtained.

ここで、本実施の形態1の電気二重層キャパシタと比較例として従来のセパレータを用いた電気二重層キャパシタの初期特性と寿命特性の比較を(表1)に示す(コンデンサ素子の大きさ:10×20mm)。   Here, a comparison between the initial characteristics and life characteristics of the electric double layer capacitor of the first embodiment and the electric double layer capacitor using a conventional separator as a comparative example is shown in (Table 1) (capacitor element size: 10). × 20 mm).

なお、絶縁繊維層10cの形成条件として、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂を1、3、5、8、10、12重量%と変化させて有機溶媒に溶解した溶液を、ノズル16と集電体10aとの間に20kVの電圧を印加し、その距離を20cmにした。厚みは電圧を印加する時間で調整した。また、有機溶媒に溶解させる樹脂としてポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた絶縁繊維層も作製した。比較例は、溶剤紡糸再生セルロース(厚さ25μm)のセパレータを分極性電極層の上下に配置した以外は実施の形態1と同様にして作製したものである。   In addition, as a forming condition of the insulating fiber layer 10c, a solution in which polybutylene terephthalate (PBT) resin is changed to 1, 3, 5, 8, 10, 12% by weight and dissolved in an organic solvent is used as a nozzle 16 and a current collector. A voltage of 20 kV was applied to 10a, and the distance was 20 cm. The thickness was adjusted by applying voltage. Further, an insulating fiber layer using polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene terephthalate (PET), and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a resin to be dissolved in an organic solvent was also produced. The comparative example was produced in the same manner as in Embodiment 1 except that solvent-spun recycled cellulose (thickness 25 μm) separators were arranged above and below the polarizable electrode layer.

(表1)から明らかなように、樹脂濃度が3〜10重量%で堆積させた絶縁繊維層の電気二重層キャパシタは静電容量を最大限引き出し、内部抵抗を低く抑えることができることから、寿命特性においても容量変化率が低減され、ESRの変化も少ない。   As can be seen from Table 1, the electric double layer capacitor of the insulating fiber layer deposited at a resin concentration of 3 to 10% by weight can draw out the maximum capacitance and keep the internal resistance low, so that the lifetime Also in the characteristics, the capacity change rate is reduced and the change in ESR is small.

また、比較例の電極とセパレータを別々に構成したものに比べて、セパレータとしての厚みを大幅に薄くすることが可能になるため、素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができるという効果が得られるものである。   In addition, the thickness of the separator can be significantly reduced compared to the comparative example in which the electrode and the separator are separately configured, so that the element can be downsized and the capacity can be increased. The effect that it can be obtained.

このように本実施の形態1の電気二重層キャパシタは、分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極とすることにより、分極性電極層と絶縁繊維層が一体となって絶縁繊維層に含浸した駆動用電解液が常に分極性電極層と接触しており、また、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる繊維層を備えることから、機械的強度が強くて駆動用電解液の保持量が多くできることから、二重層容量を最大限引き出し、内部抵抗を低く抑えることができる。その結果、電気二重層キャパシタの充放電特性、寿命特性を向上させることができる。   As described above, in the electric double layer capacitor according to the first embodiment, the insulating fiber layer having the configuration of the three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to the resin particles is deposited on the surface of the polarizable electrode layer. With this electrode, the driving electrolyte in which the polarizable electrode layer and the insulating fiber layer are integrated and impregnated in the insulating fiber layer is always in contact with the polarizable electrode layer, and a plurality of ultrafine fibers are made of resin. Since it has a fiber layer composed of a three-dimensional structure bonded to the particles, it has a high mechanical strength and can hold a large amount of driving electrolyte, so that it can maximize the double layer capacity and reduce the internal resistance. Can be suppressed. As a result, the charge / discharge characteristics and life characteristics of the electric double layer capacitor can be improved.

なお、本実施の形態1において、コンデンサ素子15の第1の電極10を1個用いた構成のものを説明したが、図4に示すように第1の電極10を2個用いるコンデンサ素子15の構成にすることにより、さらに静電容量の大きい電気二重層キャパシタを得ることができる。   In the first embodiment, the configuration using one first electrode 10 of the capacitor element 15 has been described. However, as shown in FIG. 4, the capacitor element 15 using two first electrodes 10 is used. With the configuration, an electric double layer capacitor having a larger electrostatic capacity can be obtained.

また、本実施の形態1において、外装体12に外装樹脂を用いたが、ラミネート樹脂フィルムを用いてコンデンサ素子15を封口することもできる。   In the first embodiment, the exterior resin is used for the exterior body 12, but the capacitor element 15 can be sealed using a laminate resin film.

また、本実施の形態1において、積層型を用いた構成のもので説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、巻回型のコンデンサ素子として用いることもできる。   Further, in the first embodiment, the structure using the laminated type is described, but the present invention is not limited to this, and can be used as a wound type capacitor element.

(実施の形態2)
上記実施の形態1において、絶縁繊維層を形成した第1の電極(正極)及び第2の電極(負極)を第1の電極(負極)及び第2の電極(正極)にした以外は上記実施の形態1と同様に電気二重層キャパシタを作製した。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the first electrode (positive electrode) and the second electrode (negative electrode) on which the insulating fiber layer is formed are changed to the first electrode (negative electrode) and the second electrode (positive electrode). An electric double layer capacitor was fabricated in the same manner as in Embodiment 1.

図5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す断面図である。図5において、25はコンデンサ素子であり、第1の電極20(負極)と第2の電極21(正極)から構成されている。第1の電極20は、アルミニウム箔の集電体20aの片面に活性炭を主体とした分極性電極層20bを形成し、さらに、この分極性電極層20bの表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層20cを堆積して形成したものである。第2の電極21は、アルミニウム箔の集電体21aの両面に活性炭を主体とした分極性電極層21bを形成したものである。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric double layer capacitor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, reference numeral 25 denotes a capacitor element, which includes a first electrode 20 (negative electrode) and a second electrode 21 (positive electrode). In the first electrode 20, a polarizable electrode layer 20b mainly composed of activated carbon is formed on one surface of an aluminum foil current collector 20a, and a plurality of ultrafine fibers are formed on resin particles on the surface of the polarizable electrode layer 20b. Insulating fiber layer 20c having a combined three-dimensional structure is deposited and formed. The second electrode 21 is obtained by forming a polarizable electrode layer 21b mainly composed of activated carbon on both surfaces of an aluminum foil current collector 21a.

そして、第1の電極20の集電体20aに外部端子24を接続し、同じくそれぞれの第2の電極21にも外部端子23を接続し、第2の電極21の上下それぞれに第1の電極20を配置するようにして重ね合わせる。   Then, the external terminal 24 is connected to the current collector 20 a of the first electrode 20, the external terminal 23 is also connected to each second electrode 21, and the first electrode is formed above and below the second electrode 21. 20 are arranged to overlap.

その後、上記コンデンサ素子25に駆動用電解液を含浸させ、外部端子23及び24の一部露出させるように外装体22で被覆することにより電気二重層キャパシタが構成されるものである。   Thereafter, the capacitor element 25 is impregnated with a driving electrolyte, and the external terminals 23 and 24 are covered with the outer package 22 so as to expose part of the external terminals 23 and 24, thereby forming an electric double layer capacitor.

上記絶縁繊維層20cは、上記実施の形態1の図2の形成方法と同じようにポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる繊維を有機溶媒に溶解し、この溶液(PVDF濃度8重量%)を溶液槽18に注入後、この溶液槽18に接続したノズル16と分極性電極層21bを形成した集電体21aとの間に20kVの高電圧を印加して、ノズル16より上記溶液を噴射させることにより、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層20cが堆積される。   The insulating fiber layer 20c is obtained by dissolving a fiber made of polyvinylidene fluoride (PVDF) in an organic solvent in the same manner as the forming method of FIG. 2 of the first embodiment, and this solution (PVDF concentration 8 wt%) 18, by applying a high voltage of 20 kV between the nozzle 16 connected to the solution tank 18 and the current collector 21 a on which the polarizable electrode layer 21 b is formed, and spraying the solution from the nozzle 16. Then, an insulating fiber layer 20c having a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles is deposited.

この電気二重層キャパシタの初期特性と寿命特性の比較を(表1)に示す。   A comparison of the initial characteristics and life characteristics of this electric double layer capacitor is shown in Table 1.

本実施の形態2の電気二重層キャパシタは、上記実施の形態1と同様に、分極性電極層20bと絶縁繊維層20cが一体となった構成により、絶縁繊維層20cの密度を均一にして薄く形成でき、電気二重層キャパシタの内部抵抗が低減することができることから、長寿命化を図ることができ、高信頼性の電気二重層キャパシタを得ることができる。   As in the first embodiment, the electric double layer capacitor according to the second embodiment has a structure in which the polarizable electrode layer 20b and the insulating fiber layer 20c are integrated, so that the density of the insulating fiber layer 20c is uniform and thin. Since it can be formed and the internal resistance of the electric double layer capacitor can be reduced, the life can be extended and a highly reliable electric double layer capacitor can be obtained.

(実施の形態3)
上記本実施の形態1において、絶縁繊維層の形成方法を図5に示す方法で形成した以外は上記実施の形態1と同様にして電気二重層キャパシタを作製した。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, an electric double layer capacitor was fabricated in the same manner as in the first embodiment except that the insulating fiber layer was formed by the method shown in FIG.

すなわち、溶液槽18にポリフッ化ビニリデン(PVDF)の濃度8重量%の溶液を注入し、溶液槽19にポリフッ化ビニリデン(PVDF)の濃度15重量%の溶液を注入し、ノズル16、17と集電体10aとの間に電圧(20kV)を印加して分極性電極層10bの表面に繊維を堆積させた。   That is, a solution having a concentration of 8% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) is injected into the solution tank 18, a solution having a concentration of 15% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) is injected into the solution tank 19, and the nozzles 16 and 17 are collected. A voltage (20 kV) was applied between the electric body 10a and fibers were deposited on the surface of the polarizable electrode layer 10b.

この電気二重層キャパシタの初期特性と寿命特性の比較を(表1)に示す。   A comparison of the initial characteristics and life characteristics of this electric double layer capacitor is shown in Table 1.

本実施の形態3の電気二重層キャパシタは、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造に繊維径が1μm以下の長繊維を絡み合せて堆積するようにすることにより、3次元立体構造の強度を高め、電気二重層キャパシタの寿命特性をさらに向上させることができる。   The electric double layer capacitor according to the third embodiment has a three-dimensional structure in which long fibers having a fiber diameter of 1 μm or less are entangled and deposited on a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles. The strength of the three-dimensional structure can be increased and the life characteristics of the electric double layer capacitor can be further improved.

なお、溶液槽18、19の樹脂濃度が8重量%の同じ濃度の溶液を用いることにより、堆積される繊維がより絡み合って堆積され、同じ厚みに対する密度を高めることができるので、寿命特性の向上を図ることができる。   In addition, by using the solution with the same concentration of the resin concentration in the solution tanks 18 and 19 of 8% by weight, the fibers to be deposited are more entangled and the density for the same thickness can be increased. Can be achieved.

本発明による電気二重層キャパシタは、セパレータを薄型化して素子の小型化を図り、小型大容量化を実現することができるという効果を有し、特に、ハイブリッド自動車や燃料電池車のバックアップ電源や回生用等として有用である。   The electric double layer capacitor according to the present invention has an effect that the separator can be thinned to reduce the size of the element and realize a small size and large capacity. In particular, the backup power source and regenerative power of a hybrid vehicle and a fuel cell vehicle can be realized. It is useful for use.

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示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the electrical double layer capacitor by Embodiment 1 of this invention 同絶縁繊維層の形成方法を示す概略図Schematic showing the method of forming the insulating fiber layer 同絶縁繊維層の表面SEM写真Surface SEM photo of the insulating fiber layer 同他のコンデンサ素子の例を示す断面図Sectional view showing examples of other capacitor elements 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す断面図Sectional drawing which shows the structure of the electrical double layer capacitor by Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における絶縁繊維層の形成方法を示す概略図Schematic which shows the formation method of the insulating fiber layer in Embodiment 3 of this invention

10 第1の電極
10a 集電体
10b 分極性電極層
10c 絶縁繊維層
11 第2の電極
11a 集電体
11b 分極性電極層
12 外装体
13、14 外部端子
15 コンデンサ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st electrode 10a Current collector 10b Polarization electrode layer 10c Insulating fiber layer 11 2nd electrode 11a Current collector 11b Polarization electrode layer 12 Exterior body 13, 14 External terminal 15 Capacitor element

Claims (8)

金属箔からなる集電体に分極性電極層が形成され、この分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極と、金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成した第2の電極と、上記第1の電極と第2の電極を重ねて少なくとも一対のコンデンサ素子と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させ、上記コンデンサ素子を外装体で封止するようにした電気二重層キャパシタ。 A polarizable electrode layer is formed on a current collector made of metal foil, and an insulating fiber layer having a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles is deposited on the surface of the polarizable electrode layer. A first electrode; a second electrode in which a polarizable electrode layer is formed on a current collector made of a metal foil; and at least a pair of capacitor elements by overlapping the first electrode and the second electrode; and the capacitor element An electric double layer capacitor in which a driving electrolyte is impregnated and the capacitor element is sealed with an exterior body. 上記絶縁繊維層が、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造に繊維径が1μm以下の長繊維を絡み合せて堆積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。 2. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein the insulating fiber layer is formed by entangled long fibers having a fiber diameter of 1 μm or less in a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles. 上記絶縁繊維層が、セルロース及びポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、アラミド、ポリイミド、ナイロン、変性PP、変性PE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)から選択された少なくとも1種からなる請求項1または2に記載の電気二重層キャパシタ。 The insulating fiber layer is composed of cellulose and polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), aramid, polyimide, nylon, modified PP, modified PE, polyfluoride. The electric double layer capacitor according to claim 1 or 2, comprising at least one selected from vinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). 金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成し、この分極性電極層の表面に複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造の構成からなる絶縁繊維層を堆積させた第1の電極を形成する工程と、この第1の電極の絶縁繊維層に金属箔からなる集電体に分極性電極層を形成した第2の電極を重ねて少なくとも一対のコンデンサ素子を形成する工程と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させ、上記コンデンサ素子を外装体で封止する工程とを備えた電気二重層キャパシタの製造方法。 A polarizable electrode layer was formed on a current collector made of metal foil, and an insulating fiber layer having a three-dimensional structure composed of a plurality of ultrafine fibers bonded to resin particles was deposited on the surface of the polarizable electrode layer. A step of forming the first electrode and an insulating fiber layer of the first electrode are overlapped with a second electrode having a polarizable electrode layer formed on a current collector made of a metal foil to form at least a pair of capacitor elements. A method for producing an electric double layer capacitor comprising: a step; and a step of impregnating the capacitor element with a driving electrolyte and sealing the capacitor element with an exterior body. 上記絶縁繊維層は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、アラミド、ポリイミド、ナイロン、変性PP、変性PE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)から選択された少なくとも1種の樹脂を有機溶剤に溶解し、この溶液を噴射するノズルと上記集電体との間に直流電圧を印加して上記分極性電極に堆積させるようにした請求項4に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 The insulating fiber layer is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), aramid, polyimide, nylon, modified PP, modified PE, polyvinylidene fluoride. (PVDF) or at least one resin selected from polytetrafluoroethylene (PTFE) is dissolved in an organic solvent, and a DC voltage is applied between the nozzle for injecting the solution and the current collector, and The method for manufacturing an electric double layer capacitor according to claim 4, wherein the electric double layer capacitor is deposited on a polar electrode. 上記有機溶剤に溶解される樹脂濃度が3〜10重量%の範囲である請求項5に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 6. The method for producing an electric double layer capacitor according to claim 5, wherein the concentration of the resin dissolved in the organic solvent is in the range of 3 to 10% by weight. 上記絶縁繊維層は、複数の極細繊維が樹脂粒子に結合された3次元立体構造に繊維径が1μm以下の長繊維を絡み合せて堆積するようにした請求項4に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 5. The electric double layer capacitor according to claim 4, wherein the insulating fiber layer is deposited by intertwining long fibers having a fiber diameter of 1 μm or less in a three-dimensional structure in which a plurality of ultrafine fibers are bonded to resin particles. Production method. 上記絶縁繊維層は、溶媒に樹脂を溶解した溶液を噴射するノズルを少なくとも2本用い、溶液の樹脂濃度を異なるようにして堆積させるようにした請求項7に記載の電気二重層キャパシタの製造方法。 8. The method of manufacturing an electric double layer capacitor according to claim 7, wherein the insulating fiber layer is deposited by using at least two nozzles for injecting a solution in which a resin is dissolved in a solvent, and the resin concentration of the solution is different. .
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