JP2011077105A

JP2011077105A - 電気二重層キャパシタ及びその製造方法

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Publication number: JP2011077105A
Application number: JP2009224285A
Authority: JP
Inventors: Koji Nawano; 孝司縄野
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】キャパシタ素子から引き出される複数のタブの幅をキャパシタ素子の曲率に応じて異ならせて積層することにより、低抵抗化を図るとともに、歪みのない素子形状を実現する。
【解決手段】集電体（１６、２０）に分極性電極層（１８、２２）を備える正極及び負極（電極体４、８）と、これら正極と負極との間に介在させたセパレータ（１２、１４）とを巻回したキャパシタ素子（２）と、このキャパシタ素子の正極側又は負極側の何れか一方又は双方の集電体の縁部に形成されてキャパシタ素子の端面側で引き出されて重ね合わせられる複数個のタブ部（６、１０）とを備え、各タブ部は、キャパシタ素子の端面側の同一角度又はその近傍角度の位置に設定され、その幅をキャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻回型のキャパシタ素子を用いた電気二重層キャパシタに関し、例えば、電極体に複数のタブを備える電気二重層キャパシタ及びその製造方法に関する。

巻回型のキャパシタ素子を用いた電気二重層キャパシタは、キャパシタ素子のタブ幅やその本数が内部抵抗に影響を与える。タブ幅が広いほど、かつ並列化されるタブの本数が多いほど、内部抵抗は小さくなる。内部抵抗が小さくなれば、タブ部での電圧低下や電流損が低下するので、大電流による充放電が可能になる。それ故、タブの内部抵抗の低減が要請される。

このタブの取付方法として、集電体にタブを取付けた電気二重層キャパシタ（例えば、特許文献１、２）や、集電体でタブを形成した電気二重層キャパシタ（例えば、特許文献３、４）が知られている。

特開平８−２９３４４３号公報特開２００１−２３７１５０号公報特開２０００−３１５６２７号公報特開２０００−１２３９０号公報

ところで、巻回型のキャパシタ素子では、その素子中心側における集電体の曲率が大きくなる。このため、集電体に接続され又は形成されたタブの幅が広いと、素子中心側では集電体の巻回がタブによって妨げられる。集電体素材は弾性（ばね性）を備えているので、タブの幅が広ければ、そのタブがキャパシタ素子の曲率を変化させ、キャパシタ素子の形状に歪を生じさせる場合がある。この結果、タブの引出しのためにキャパシタ素子の曲率を適正に維持することが困難となり、キャパシタ素子が変形し、素子形状に歪みを生じるという不都合がある。

また、キャパシタ素子の曲率を適正化しようとすれば、幅の広いタブではキャパシタ素子の曲率に応じて湾曲し、また、湾曲したタブを平坦化しようとすれば、キャパシタ素子とタブとの間に無用な応力を加え、また、キャパシタ素子に損傷を生じさせるおそれがある。

そこで、本発明の電気二重層キャパシタ及びその製造方法の目的は、キャパシタ素子から引き出される複数のタブの幅をキャパシタ素子の曲率に応じて異ならせて積層することにより、低抵抗化を図るとともに、歪みのない素子形状を実現することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、電気二重層キャパシタ又はその製造方法の構成は以下の通りである。

本発明の第１の側面である電気二重層キャパシタは、集電体に分極性電極層を備える正極及び負極と、これら正極と負極との間に介在させたセパレータとを巻回したキャパシタ素子と、このキャパシタ素子の正極側又は負極側の何れか一方又は双方の集電体の縁部に形成されて前記キャパシタ素子の端面側で引き出されて重ね合わせられる複数個のタブ部とを備え、各タブ部は、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度又はその近傍角度の位置に設定され、その幅を前記キャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定したものである。

この電気二重層キャパシタにおいて、好ましくは、前記キャパシタ素子の正極側の集電体、負極側の集電体のそれぞれに前記タブ部を備える場合、正極側の前記タブ部と、負極側の前記タブ部とを前記キャパシタ素子の端面側の互いに異なる角度位置に設定してもよい。

この電気二重層キャパシタにおいて、好ましくは、前記タブ部に接続されたリード端子を備えてもよい。

本発明の第２の側面である電気二重層キャパシタの製造方法は、集電体に分極性電極層を備える正極及び負極と、これら正極と負極との間に介在させたセパレータとを筒状に巻回し、キャパシタ素子を形成する工程と、前記キャパシタ素子に巻回される集電体の縁部に、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度又は近傍角度の位置に設定される複数個のタブ部を形成する工程とを含み、各タブ部は、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度又は近傍角度の位置に設定され、その幅を前記キャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定する。

本発明の電気二重層キャパシタ又はその製造方法によれば、次のような効果が得られる。

(1) 巻回型のキャパシタ素子の巻回中心側のタブ幅を狭く、外周側に向かって広く設定しているので、キャパシタ素子の曲率によるタブ部の変形や、キャパシタ素子の曲率の大きい部分でタブ部がキャパシタ素子の巻回が妨げられることがなく、タブ部からキャパシタ素子に加わる応力を小さくでき、キャパシタ素子の変形を防止でき、キャパシタ素子の形状を安定化することができる。

(2) キャパシタ素子の曲率半径に比例的に増加する集電体の周長に応じてタブ部の幅を広く設定したので、各タブ部により集電体を長さ方向に向かって均等又はほぼ均等に並列化でき、内部抵抗の低減と、大電流での充放電が可能である。

(3) キャパシタ素子の巻回中心側から外周側に向かってタブ部が徐々に広く設定され、しかも同一の角度位置又はその近傍角度位置に設定されているので、これらタブ部を重ねて接続しても、キャパシタ素子に対するタブ部から応力を生じさせることがなく、キャパシタ素子の信頼性を低下させることがない。

そして、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面及び各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

第１の実施の形態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。キャパシタ素子におけるタブ部を示す図である。電極体におけるタブ部を示す図である。分解したキャパシタ素子の一例を示す斜視図である。電極体及びセパレータを示す図である。リード部を備えたキャパシタ素子を示す図である。リード部の接続を示す図である。キャパシタ素子のケースへの封入を示す図である。電気二重層キャパシタを示す図である。第２の実施の形態に係るキャパシタ素子の巻回工程を示す図である。集電体にタブ部の形成工程を示す図である。他の実施の形態に係るリード部の一例を示す図である。

〔第１の実施の形態〕

第１の実施の形態は、キャパシタ素子の集電体の積層方向に複数のタブ部を備え、各タブ部がキャパシタ素子の端面側の同一角度位置又はその近傍角度位置に設定され、そのタブ幅をキャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定したタブ部を備える電気二重層キャパシタである。

この第１の実施の形態について、図１を参照する。図１はキャパシタ素子の一例を示す斜視図である。

キャパシタ素子２は、本発明の電気二重層キャパシタの一例であって、巻回型素子で構成される。このキャパシタ素子２の端面には、図１に示すように、正極側の電極体４から複数のタブ部６と、負極側の電極体８から複数のタブ部１０とが引き出されている。タブ部６は、キャパシタ素子２の端面に同一の角度θｉ又はその近傍角度の位置に設定され、また、タブ部１０は、キャパシタ素子２の端面に同一の角度θｊ又はその近傍角度の位置に設定されている。各タブ部６、１０は、互いに角度Δθ（＝θｉ〜θｊ）だけ変位しており、この変位角度Δθを持たせて絶縁されている。また、各タブ部６、１０の幅Ｗｉ（図２）は、キャパシタ素子２の中心側から外周側に漸次に幅広に設定されている。複数のタブ部６でタブ群６０、複数のタブ部１０でタブ群１００が構成され、これらタブ群６０とタブ群１００とは変位角度Δθだけ中心角度が変位している。

各タブ部６、１０の位置（θｉ、θｊ）及び幅Ｗｉについて、図２及び図３を参照する。図２はキャパシタ素子及びタブ部の関係を示す図、図３は電極体及びタブ部を示す図である。

キャパシタ素子２の巻回中心をＯ、タブ部６の巻回中心Ｏからの半径をｒｉ、電極体４の巻回始端からタブ部６の中心までの距離又はタブ部６の中心間の距離をＬｉとすれば、この距離（周回長）Ｌｉは、
Ｌｉ≒２πｒｉ・・・(1)
となる。ただし、ｉは、対象となるタブ部６までの電極体４の周回数であって、ｉ＝１、２・・・ｎである。

幅Ｗｉは、
Ｗｉ∝Ｌｉ∝ｒｉ∝Ｓｉ・・・(2)
Ｗｉ≪ｒｉ≪Ｌｉ・・・(3)
に設定されている。式(2) において、Ｓｉは、タブ部６の距離Ｌｉと、電極体４の幅Ｗ₀との積（＝面積）である。

また、幅Ｗｉは、半径ｒｉ又は距離Ｌｉより大幅に小さく設定され、例えば、
Ｗｉ＝ｒｉ／ｎ＝Ｌｉ／２π・ｎ・・・(4)
に設定し、ｎは２以上に設定すればよく、より好ましくは３以上であればよい。

このような関係は、電極体８側のタブ部１０についても同様である。

次に、このキャパシタ素子２について、図４及び図５を参照する。図４は分解されたキャパシタ素子の一例を示す斜視図、図５はキャパシタ素子から展開された各電極体及びセパレータを示す図である。

キャパシタ素子２は、正極側の電極体４、負極側の電極体８及び２枚のセパレータ１２、１４で構成されている。電極体４は、集電体１６の表裏両面又はその片面に分極性電極層１８を形成したものであり、負極側の電極体８も同様に、集電体２０の表裏両面又はその片面に分極性電極層２２を形成したものである。セパレータ１２、１４は例えば、絶縁紙で形成される。集電体１６、２０の幅をＷとすると、既述の電極体８を形成する幅Ｗ₀（＜Ｗ）より広く設定されている。

各タブ部６は電極体４を構成する集電体１６の縁部に形成され、また、各タブ部１０は電極体８を構成する集電体２０の縁部に形成され、何れも既述の幅Ｗｉを有する矩形形状である。

各セパレータ１２、１４は電極体４、８より長く、電極体４は電極体８より短く設定され、巻回素子を構成するキャパシタ素子２の正極側と負極側とがセパレータ１２、１４によって絶縁されるように配置されている。

次に、キャパシタ素子２のリード部について、図６及び図７を参照する。図６はリード部を備えたキャパシタ素子を示す図、図７はリード部の接続を示す図である。

キャパシタ素子２の各タブ部６又は各タブ部１０は個別にピラミッド状に重ねられ、タブ部６は２枚のリード部２４、２６に挟み込まれて接続され、また、タブ部１０も２枚のリード部２８、３０に挟み込まれて接続されている。３１は溶接部である。

各リード部２４、２６は、タブ部６より厚い例えば、アルミニウム帯で形成され、各リード部２８、３０も同様である。各リード部２４、２６とタブ部６との接続は冷間圧接で接続され、この接続によって各タブ部６を単位としてキャパシタ素子２の電極体４が縁部側で複数のタブ部６とリード部２４、２６によって並列に接続されている。同様に、各リード部２８、３０とタブ部１０との接続は冷間圧接で接続され、この接続によって各タブ部１０を単位としてキャパシタ素子２の電極体８が縁部側で複数のタブ部１０とリード部２８、３０によって並列に接続されている。

各リード部２４、２６とタブ部６との接続は、図７に示すように、例えば、リード部２６側に最も広いタブ部６を重ね、各タブ部６をピラミッド状に重ね、最上部にあるタブ部６側に他方のリード部２４を重ねて行う。これらリード部２４、２６の間に圧力Ｐを加えることにより、冷間圧接を行えばリード部２４、２６の間に挟み込まれた各タブ部６がリード部２４、２６と一体化され、電気的に接続される。タブ部１０とリード部２８、３０の接続についても同様である。

次に、キャパシタ素子２のケース封入について、図８及び図９を参照する。図８は、キャパシタ素子のケースへの封入を示す図、図９は、電気二重層キャパシタを示す図である。

キャパシタ素子２の正極側のタブ部６は、図８に示すように、外装ケース３２を封口する封口板３４にある正極側の外部端子部３６に接続され、また、負極側のタブ部１０も、封口板３４にある負極側の外部端子部３８に接続される。３９は溶接部である。

外装ケース３２は、キャパシタ素子２の外装部材の一例であって、例えば、アルミニウムで形成された円筒状の容器である。外装ケース３２には合成樹脂製の容器を用いてもよい。封口板３４は、外装ケース３２の封口部材の一例であって、合成樹脂やゴム等の絶縁板で構成される。

そこで、電気二重層キャパシタ４６は、図９に示すように、外装ケース３２に封口板３４の外部端子部３６、３８に接続されたキャパシタ素子２が挿入されるとともに、封口板３４が挿入される。この封口板３４は外装ケース３２の開口部側で内側に突出させた加締め部４０に支持されているとともに、外装ケース３２の開口部のカーリング処理によって開口端部４２が封止ゴム４４に食い込ませられ、外装ケース３２が封口板３４によって封止されている。

この第１の実施の形態について、特徴事項、利点又は変形例等を列挙する。

(1) 第１の実施の形態では、集電体１６の両面又は片面に分極性電極層１８が形成された正極側の電極体４、集電体２０の両面又は片面に分極性電極層２２が形成された負極側の電極体８をセパレータ１２、１４を介して巻回した電気二重層キャパシタ４６について、正極及び負極は、それぞれ、集電体１６、２０の一部からなる複数個のタブ部６、１０を巻回状態でほぼ同じ角度位置に揃えて有するとともに、内部側のタブ部の幅よりも外部側にタブ部の幅を漸次広幅としている。

(2) キャパシタ素子２の内周側で狭い形状、外周側に向かって広い形状のタブ部６、１０を形成し、これら複数のタブ部６又は１０をタブ群６０又はタブ群１００として一括して重ね合わせ、接合したので、キャパシタ素子２の各電極体４、８を個別に並列化でき、内部抵抗の低減を図ることができる。即ち、キャパシタ素子２のタブ幅Ｗｉを曲率半径及び周回長に応じて幅広にでき、かつタブ本数を多くできるので、内部抵抗を小さくできる。これにより、大電流での充放電が可能な電気二重層キャパシタ４６を実現できる。

(3) 巻回型のキャパシタ素子２では内周側ほど電極体４、８の曲率が大きくなるが、それに応じてタブ部６、１０の幅を狭くしているので、キャパシタ素子２の内周側でも適正な曲率を維持することができ、キャパシタ素子２の形状の安定化を図ることができる。

(4) タブ部６、１０の形成について、電気二重層キャパシタ４６のキャパシタ素子２を巻回する際、巻軸側のタブ部を幅狭に、巻き終わり側のタブ部が順次幅広になるようにタブ部６、１０を形成し、正極、負極のそれぞれのタブ部６、１０が重なりあうように形成すればよい。

(5) 従って、曲率が大きくなるキャパシタ素子２の内側部分では、タブ幅を狭くすることで、曲率の大きな部分でのタブ部のバネ応力を小さくでき、キャパシタ素子２の変形を防止でき、また、曲率が小さくなるキャパシタ素子の外側部分では、タブ幅を広げることで、内部抵抗の低減と、大電流での充放電が可能となる。

〔第２の実施の形態〕

第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの製造方法である。

この第２の実施の形態について、図１０及び図１１を参照する。図１０はキャパシタ素子の巻回工程を示す図、図１１はタブ部の形成工程の一例を示す図である。

この電気二重層キャパシタ４６（図９）の製造工程は、本発明の電気二重層キャパシタの製造方法の一例であって、この製造工程には、電極体の形成工程（ステップＳ１）、キャパシタ素子及びタブ部の形成工程（ステップＳ２）、タブ部及びリード部の接続工程（ステップＳ３）、リード部と外部端子部の接続工程（ステップＳ４）、キャパシタ素子の封入工程（ステップＳ５）が含まれる。

電極体の形成工程（ステップＳ１）では、正極側の電極体４、負極側の電極体８を形成する。電極体４は箔状の集電体１６に分極性電極層１８を形成し、その際、集電体１６の縁部にはタブ部６を形成するための部分として、分極性電極層１８の非形成部を残す。これは、電極体８側でも同様である。

キャパシタ素子及びタブ部の形成工程（ステップＳ２）では、図１０に示すように、電極体４、セパレータ１４、電極体８及びセパレータ１２を例えば、ローラ４８、５０、５２、５４からなる搬送機構を以てローラ５６、５８間を経て重ね合わせ、巻軸６２により巻回し、キャパシタ素子２が形成される。この際、正極側の電極体４の外周には、負極側の電極体８が対向するように巻回され、さらに最外周にはセパレータ１２が巻回される。そして、キャパシタ素子２の周囲部には緊締テープ６８（図９）が巻き付けられ、電極体４、８やセパレータ１２、１４の巻き戻しが防止される。巻き戻し防止には、緊締テープ６８の他、固定手段を用いてもよい。キャパシタ素子２には固体電解質が含浸される。

このキャパシタ素子２の形成工程において、図１１に示すように、電極体４、８には搬送中にカッター６４、６６を以て集電体１６、２０をカットすることにより、各電極体４、８の集電体１６、２０にタブ部６、１０を形成する。

タブ部及びリード部の接続工程（ステップＳ３）では、図７に示したように、各タブ部６を一括してリード部２４、２６間に挟み込み、両者を例えば、冷間圧接により接続する。タブ部１０についても同様である。

リード部と外部端子部の接続工程（ステップＳ４）では、図８に示したように、タブ部６に接続されたリード部２４、２６を封口板３４にある外部端子部３６に接続し、同様にタブ部１０に接続されたリード部２８、３０を封口板３４にある外部端子部３６に接続する。この接続方法は、既述の溶接を用いればよいが、溶接に限定されない。例えば、リベットの加締め接続でもよい。

そして、キャパシタ素子の封入工程（ステップＳ５）では、外装ケース３２にキャパシタ素子２を挿入し、その開口部を封口板３４で閉じ、外装ケース３２の開口部の加締めによって封止すれば、図９に示すように、電気二重層キャパシタ４６が形成される。

この第２の実施の形態について、特徴事項、利点又は変形例等を列挙する。

(1) 集電体１６、２０の幅方向よりも幅狭に分極性電極層１８、２２を形成しておき、カッター６４、６６にて集電体１６、２０を切断、所定位置でタブ部６、１０に切り出して巻回している。

(2) その際のタブ部６、１０の幅をキャパシタ素子２の外周側になるほど幅広に調整しながら切断すればよい。これにより、キャパシタ素子２の内側は狭タブ、外側にいくほど広幅タブに形成し、これら複数のタブ部６を重ね合わせることができ、タブ部１０においても同様である。

〔他の実施の形態〕

(1) 上記実施の形態では、リード部２４、２６、２８、３０を同一幅で平板状に形成したが、図１２に示すように、一方のリード部２６又はリード部３０側をピラミッド状に積層されるタブ部６又はタブ部１０の形状に合致するように覆い部に成形してもよい。この実施の形態では、覆い部として、中央に最も狭いタブ部６又は１０の幅を内包する平坦部７０を形成し、この平坦部７０の両側にタブ群６０又はタブ群１００を囲い込む傾斜壁部７２、７４を形成すればよい。このようなリード部２６、３０を用いれば、リード部２４、２６間又はリード部２８、３０間にタブ部６又は１０を確実に保持させることができ、圧力Ｐによる加圧を併用して接続することができる。

(2) 上記実施の形態では、外部端子部３６又は外部端子部３８と、タブ部６又はタブ部１０との接続にリード部２４、２６又はリード部２８、３０を用いたが、外部端子部３６又は外部端子部３８にタブ部６又はタブ部１０を直接に接続する構成としてもよい。

(3) 上記実施の形態では、電極体４の集電体１６、電極体８の集電体２０からタブ部６又はタブ部１０が形成される場合について述べたが、分極性電極層１８、２０を備えた電極体４、８に同様の形態でタブ部６、１０を接続する構成としてもよく、同様の効果が得られる。

以上説明したように、電気二重層キャパシタ及びその製造方法の実施の形態について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明の電気二重層キャパシタ及びその製造方法によれば、キャパシタ素子の周回曲率に応じて幅を異ならせたタブ部を形成して積層し、外部端子部に一括して接続しているので、キャパシタ素子の形状に歪みを生じさせることなく、キャパシタ素子ひいては電解コンデンサの低抵抗化を図ることができ、特性のよい電気二重層キャパシタを実現し、提供することができる。

２キャパシタ素子
４、８電極体
６、１０タブ部
１２、１４セパレータ
１６、２０集電体

Claims

集電体に分極性電極層を備える正極及び負極の電極体と、これら電極体の間に介在させたセパレータとを巻回したキャパシタ素子と、
このキャパシタ素子の正極側又は負極側の何れか一方又は双方の集電体の縁部に形成されて前記キャパシタ素子の端面側で引き出されて重ね合わせられる複数個のタブ部と、
を備え、各タブ部は、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度位置又はその近傍角度位置に設定され、その幅を前記キャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
前記キャパシタ素子の正極側の集電体、負極側の集電体のそれぞれに前記タブ部を備える場合、正極側の前記タブ部と、負極側の前記タブ部とを前記キャパシタ素子の端面側の互いに異なる角度位置に設定したことを特徴とする、請求項１記載の前記電気二重層キャパシタ。
前記タブ部に接続されたリード端子を備えることを特徴とする、請求項１記載の前記電気二重層キャパシタ。
集電体に分極性電極層を備える正極及び負極の電極体と、これら電極体の間に介在させたセパレータとを筒状に巻回し、キャパシタ素子を形成する工程と、
前記キャパシタ素子に巻回される集電体の縁部に、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度又は近傍角度の位置に設定される複数個のタブ部を形成する工程と、
を含み、各タブ部は、前記キャパシタ素子の端面側の同一角度又は近傍角度の位置に設定され、その幅を前記キャパシタ素子の中心側から外周側に漸次に幅広に設定することを特徴とする、電気二重層キャパシタの製造方法。