JP2010219183A - 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】一対の電極２、３を両端面から取り出した偏平状の素子１と、この素子１を電解液と共に収容した上面開放のセラミック製のケース５と、このケース５の外表面に一端が表出し、他端が上記素子１の電極２、３に夫々接続された一対の端子６、７と、上記ケース５の上面に結合されてケース５を封止したアルミニウム製の蓋９からなり、上記ケース５の蓋９との結合面に金属層１０を設け、この金属層１０を介してケース５と蓋９を溶接により結合した構成により、簡単な構成で部品点数と作業工数の削減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、高信頼性を発揮できる。
【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８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８において、３１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３１は、電解質溶液が含浸された長尺のセパレータ３２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３２間に該セパレータ３２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３３が積層されている。各電極板３３の端部には、電極板３３と略同幅で可撓性の集電部材３４が接続されており、集電部材３４は電極板３３の全長に亘って埋設されている。

各電極板３３は上記のように蛇腹状に折り返されているセパレータ３２により一方の端部が包み込まれると共に、セパレータ３２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３４は該露出している方の端部でセパレータ３２間から引き出される。各電極板３３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３４は同極ごとに纏められ、断面視Ｃ字状の結束部材３５により結束される。結束部材３５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３５による集電部材３４の結束部分３６、３７は、同極ごとに電極板３３の積層方向の相異なる最外周側に、例えば図８の場合には、結束部分３６は最上層側に、結束部分３７は最下層側に配置されるようになり、更に、このように構成された電気二重層キャパシタ３１が該電極板３３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３１は、各電極板３３の端部に接続された可撓性の集電部材３４を上記セパレータ３２間から引き出すことにより、該集電部材３４が同極ごとに結束されることにより、上記集電部材３４を各電極板３３に接続する際に上記セパレータ３２を損傷する恐れがなく、容易に製造することができ、更に、この電気二重層キャパシタを単セルとし、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３１では、セパレータ３２を損傷することなく、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、一対の電極を対向する端面から夫々取り出した偏平状の素子と、この素子を電解液と共に収容した上面開放のセラミック製のケースと、このケースの外表面に一端が表出すると共に、他端が上記素子の一対の電極と夫々電気的に接続された一対の端子と、上記ケースの上面に結合されることによりケースを封止したアルミニウム製の蓋からなり、上記ケースの蓋との結合面に金属層を設け、この金属層を介してケースと蓋が溶接により結合された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、一対の電極を対向する端面から取り出した偏平状の素子を上面開放のケース内に収容して蓋を結合した構成により、簡単な構成によって部品点数の削減と作業工数の削減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、更に、セラミック製のケースとアルミニウム製の蓋を用いることによって高温環境下におけるケース内部の膨れに対しても十分な強度を発揮することができるようにな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、２、５に記載の発明について説明する。

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した断面図、図２は同電気二重層キャパシタを底面側から見た斜視図である。なお、図１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、かつ、積層方向の厚みを厚くして記載したものである。

図１と図２において、１は偏平状の素子を示し、この素子１はアルミニウム箔からなる集電体２ａの一端側に設けた電極未形成部を除く両面に分極性電極層２ｂを形成したシート状の陽極電極２と、同じくアルミニウム箔からなる集電体３ａの一端側に設けた電極未形成部を除く両面に分極性電極層３ｂを形成したシート状の陰極電極３を、その間につづら折り状に折り曲げられた帯状のセパレータ４（本実施の形態においては耐熱性に優れたセルロース系繊維を用いた）を介在させて上記陽極電極２の分極性電極層２ｂと陰極電極３の分極性電極層３ｂがセパレータ４を介して対向するようにして積層することにより、上記陽極電極２の集電体２ａの電極未形成部と陰極電極３の集電体３ａの電極未形成部が対向する端面に夫々表出するように構成されたものである。

また、上記素子１の製造方法について説明すると、まず、セルロース系繊維からなる長尺のセパレータ４を交互に折り返すことにより積層状（一般に、つづら折りとも呼ばれている）に折り曲げる。

次に、アルミニウム箔からなる集電体２ａの一端側に設けた電極未形成部を除く両面に分極性電極層２ｂを形成したシート状の陽極電極２と、同じくアルミニウム箔からなる集電体３ａの一端側に設けた電極未形成部を除く両面に分極性電極層３ｂを形成したシート状の陰極電極３を、陽極電極２と陰極電極３の各電極未形成部が夫々対向する端部に配設されるようにして上記セパレータ４の各層間に相反する方向から交互に挿入することにより、陽極電極２の分極性電極層２ｂと陰極電極３の分極性電極層３ｂがセパレータ４を介して対向するような素子１を作製する。その後、この素子１をプレス加工することにより、極めて薄い偏平な形状に（図示せず）加工するものである。

なお、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２ｂ、３ｂ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帯状のセパレータ４を構成する材料としては、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。

５は上記素子１を図示しない電解液と共に収容した上面開放のセラミック製のケース、６と７はこのケース５の底面に一部が表出するようにしてケース５に夫々結合された陽極端子と陰極端子である。８は上記ケース５に結合された陽極端子６と上記素子１の一方の端面に表出した陽極電極２の集電体２ａの電極未形成部とを接続するための接続部材であり、この接続部材８に上記複数の陽極電極２の集電体２ａの電極未形成部を纏めて接続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、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣｌＯ_４ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻またはＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ ⁻を使用することができるものである。

９は上記ケース５の上面に結合されることによってケース５の封止を行うアルミニウム製の蓋、１０は上記ケース５の蓋９との結合面に設けられた金属層であり、この金属層１０はタングステン等を印刷等の手段によって形成するようにしたものであり、この金属層１０を介して上記蓋９とケース５を溶接によって結合しているものである。

１１は導電性接着剤であり、この導電性接着剤１１により上記素子１の他方の端面に表出した陰極電極３の集電体３ａの電極未形成部と蓋９を機械的に接合すると共に、電気的な接合も行っているものであり、これにより、蓋９を介して上記ケース５に結合された陰極端子７と陰極電極３が電気的に接続されるようにしているものである。

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、一対の電極を対向する端面から夫々取り出した偏平状の素子を上面開放のケース内に収容して蓋を結合した構成により、簡単な構成によって部品点数の削減と作業工数の削減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、更に、セラミック製のケースとアルミニウム製の蓋を用いることにより、例えばリフロー半田付け等の高温環境下におけるケース内部の膨れに対しても十分な強度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３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と図２を用いて説明した電気二重層キャパシタに使用される素子の構成が一部異なるようにしたものであり、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３は本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を示した斜視図である。なお、図３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、かつ、積層方向の厚みを厚くして記載したものである。

図３において、１２は素子を示し、この素子１２は上記実施の形態１で説明した素子１と同様に構成されると共に、素子１２の最上段と最下段には、片面のみに分極性電極層３ｂが形成された陰極電極３Ａが夫々配設されると共に、この陰極電極３Ａに形成された分極性電極層３ｂが最上段、最下段のセパレータ４と夫々当接するように構成されたものである。

また、図示はしないが、上記素子１２はプレス加工することによって極めて薄い偏平な形状に加工されると共に、図示しない電解液が含浸されて本実施の形態による電気二重層キャパシタが構成されるのは上記実施の形態１と同様である。

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、素子１２の最上段ならびに最下段に夫々陰極電極３Ａを配設した構成により、陽極電極２の面積よりも陰極電極３、３Ａ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という格別の効果を奏するものである。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項４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と図２を用いて説明した電気二重層キャパシタに使用される素子の構成が一部異なるようにしたものであり、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４は本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの構成を示した断面図、図５は同電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を示した斜視図、図６は同素子の図５のＡ−Ａ線における断面図であり、図４〜図６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、かつ、積層方向の厚みを厚くして記載したものである。

図４〜図６において、１３は偏平状の素子を示し、この素子１３はアルミニウム箔からなる集電体１４ａ上に一端に設けた電極未形成部を除いて分極性電極層１４ｂを形成した陽極電極１４と、同じくアルミニウム箔からなる集電体１５ａ上に一端に設けた電極未形成部を除いて分極性電極層１５ｂを形成した陰極電極１５を、上記陽極電極１４の電極未形成部と陰極電極１５の電極未形成部を互いに逆方向に配置して重ね合わせると共に、その間にセパレータ１６を介在させて上記陽極電極１４の分極性電極層１４ｂと陰極電極１５の分極性電極層１５ｂがセパレータ１６を介して対向した状態で巻回することにより、陽極電極１４と陰極電極１５の各電極未形成部が夫々対向する端面に表出して陽極電極取り出し部と陰極電極取り出し部が形成されるようにし、最後に固定テープ１７を最外周に巻き付けて構成されたものである。

また、このように構成された素子１３は、円筒状に巻回した後にプレス加工して偏平状にするか、もしくは偏平状に巻回するようにして作製されるものである。

５は上記素子１３を図示しない電解液と共に収容した上面開放のセラミック製のケース、６と７はこのケース５の底面に一部が表出するようにしてケース５に夫々結合された陽極端子と陰極端子である。８は上記ケース５に結合された陽極端子６と上記素子１３の一方の端面に形成された陽極電極取り出し部とを接続するための接続部材であり、この接続部材８に上記複数の陽極電極１４の集電体１４ａに設けた電極未形成部を纏めて接続するようにしているものである。

９は上記ケース５の上面に結合されることによってケース５の封止を行うアルミニウム製の蓋、１０は上記ケース５の蓋９との結合面に設けられた金属層であり、この金属層１０を介して上記蓋９とケース５を溶接によって結合しているものである。

１１は導電性接着剤であり、この導電性接着剤１１により上記素子１３の他方の端面に形成された陰極電極取り出し部と蓋９を機械的に結合すると共に、電気的な接続も行っているものであり、これにより、蓋９を介して上記ケース５に結合された陰極端子７と陰極電極１５が電気的に接続されるようにしているものである。

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、偏平状の素子１３を巻回形とした構成によって素子１３の作製が容易になり、作業性を向上させることが可能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４）
以下、実施の形態４を用いて、本発明の特に請求項６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１〜３で図１〜図６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１〜３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７（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態４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７において、１８は上面開放の樹脂製のケース、１９はこのケース１８の上面に被せられる樹脂製の蓋であり、上記ケース１８内には上記実施の形態１〜３で説明した電気二重層キャパシタ２０が２個隣り合うように収容されているものである。

２１と２２は上記ケース１８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２１と外部陰極端子２２には、上記一方の電気二重層キャパシタ２０の陽極端子６（図示せず）と他方の電気二重層キャパシタ２０の陰極端子７（図示せず）が接続されており、かつ、上記一方の電気二重層キャパシタ２０の陰極端子７（図示せず）と他方の電気二重層キャパシタ２０の陽極端子６（図示せず）は、図示しないケース１８の奥側の側面で図示しない外部共通端子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２０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２０を収容したケース１８の上面開放部に蓋１９を被せ、接着等の手段によってケース１８と蓋１９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。

なお、本実施の形態においては、２個の電気二重層キャパシタを直列接続してケース内に収容した例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２個以上の電気二重層キャパシタを直列接続、あるいは並列接続してケース内に収容することも可能であることは言うまでもない。

本発明による電気二重層キャパシタは、簡単な構成によって部品点数と作業工数の削減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、高い信頼性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。

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した断面図 同電気二重層キャパシタを底面側から見た斜視図 本発明の実施の形態２による電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を示した斜視図 本発明の実施の形態３による電気二重層キャパシタの構成を示した断面図 同電気二重層キャパシタに使用される素子の構成を示した斜視図 同素子の図５のＡ−Ａ線における断面図 （ａ）本発明の実施の形態４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

１、１２、１３ 素子
２、１４ 陽極電極
２ａ、３ａ、１４ａ、１５ａ 集電体
２ｂ、３ｂ、１４ｂ、１５ｂ 分極性電極層
３、３Ａ、１５ 陰極電極
４、１６ セパレータ
５、１８ ケース
６ 陽極端子
７ 陰極端子
８ 接続部材
９、１９ 蓋
１０ 金属層
１１ 導電性接着剤
１７ 固定テープ
２０ 電気二重層キャパシタ
２１ 外部陽極端子
２２ 外部陰極端子

Claims (6)

1. 一対の電極を対向する端面から夫々取り出した偏平状の素子と、この素子を電解液と共に収容した上面開放のセラミック製のケースと、このケースの外表面に一端が表出すると共に、他端が上記素子の一対の電極と夫々電気的に接続された一対の端子と、上記ケースの上面に結合されることによりケースを封止したアルミニウム製の蓋からなり、上記ケースの蓋との結合面に金属層を設け、この金属層を介してケースと蓋が溶接により結合された電気二重層キャパシタ。
2. 一対の電極を対向する端面から夫々取り出した偏平状の素子が、交互に折り返すことにより積層状に折り曲げられたセパレータと、金属箔からなる集電体上に一端に設けた電極未形成部を除いて両面に分極性電極層を形成したシート状の陽極電極ならびに陰極電極からなり、この陽極電極と陰極電極を各電極未形成部が夫々対向する端部に配設されるようにして上記セパレータの各層間に相反する方向から交互に挿入して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. 金属箔からなる集電体上に一端に設けた電極未形成部を除いて片面に分極性電極層を形成したシート状の陰極電極を、上記分極性電極層がセパレータと当接するようにしてセパレータの最上段と最下段に夫々配設した請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 一対の電極を対向する端面から夫々取り出した偏平状の素子が、金属箔からなる集電体上に一端に設けた電極未形成部を除いて分極性電極層を形成した陽極電極と陰極電極を一対とし、上記陽極電極と陰極電極の各電極未形成部を互いに逆方向に配置して重ね合わせると共に、その間にセパレータを介在させた状態で巻回することにより、複数の陽極電極と複数の陰極電極の各電極未形成部が夫々対向する端面に表出して陽極電極取り出し部と陰極電極取り出し部を夫々形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。
5. 一対の端子の各一端を夫々ケースの底面に表出させた請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
6. 請求項１〜５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ケース内に収容した電気二重層キャパシタ。

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